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Science:激發(fā)態(tài)硝基芳烴促進的芳烴氧化裂解反應

來源:化學加原創(chuàng)      2025-03-20
導讀:近日,德國亞琛工業(yè)大學(RWTH Aachen University)Daniele Leonori和Alessandro Ruffoni課題組聯(lián)合報道了利用光激發(fā)的硝基芳烴實現(xiàn)了化學選擇性內(nèi)在規(guī)律的顛覆,即將活性較低的底物轉(zhuǎn)化為活性較高的底物,從而實現(xiàn)了芳烴的選擇性氧化裂解。這種化學選擇過程成功的關鍵是硝基芳烴的使用,其優(yōu)先激發(fā)到三線態(tài)π,π*態(tài)而不是n,π*態(tài)。這種激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變可以實現(xiàn)芳烴的傳統(tǒng)臭氧化裂解過程所不能實現(xiàn)的反應途徑,即在烯烴存在下優(yōu)先實現(xiàn)芳烴的氧化裂解。文章鏈接DOI:10.1126/science.ads3955。

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(圖片來源:Science

正文

芳烴的臭氧化裂解是有機化學領域的一項重大挑戰(zhàn)。這主要由于臭氧會優(yōu)先與烯烴反應而非芳烴。這意味著一旦芳烴裂解過程發(fā)生,去芳構(gòu)化產(chǎn)物本質(zhì)上比起始原料(芳烴)更具反應性。因此會導致反應過程不能停止,且完全氧化過程會發(fā)生。為了解決這一挑戰(zhàn),需要顛覆化學選擇性的內(nèi)在規(guī)律,將活性較低的底物轉(zhuǎn)化為活性較高的底物?;贚eonori課題組的報道中所提出的對硝基芳烴取代部分的修飾可以有效調(diào)控其反應性的概念(Nature2022610, 81-86)。近日,德國亞琛工業(yè)大學Daniele Leonori和Alessandro Ruffoni課題組聯(lián)合報道了利用光激發(fā)的硝基芳烴實現(xiàn)了芳烴和烯烴的選擇性氧化問題。其可以有效控制芳烴的氧化裂解程度,避免了傳統(tǒng)芳烴裂解過程中的完全氧化問題(Fig. 1)。歡迎下載化學加APP到手機桌面,合成化學產(chǎn)業(yè)資源聚合服務平臺。


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(圖片來源:Science

首先,作者以1-甲氧基萘1a為模板底物對一系列硝基芳烴(N1-N10)的反應性進行了考察(Fig. 2)。當降低硝基芳烴的親電性時可以實現(xiàn)1a的氧化裂解得到1c。此外,作者通過對硝基芳烴的三線態(tài)能量和激發(fā)態(tài)還原電位進行計算得出最低三線態(tài)激發(fā)態(tài)的構(gòu)型是控制芳烴和裂解的關鍵。且計算結(jié)果表明具有π,π*三線態(tài)構(gòu)型的N8可以優(yōu)先與芳烴發(fā)生反應,而具有n,π*三線態(tài)構(gòu)型的N1則優(yōu)先與烯烴發(fā)生反應,由此可以實現(xiàn)在烯烴存在下對芳烴的選擇性氧化裂解。反應的最佳條件為:芳烴 (1.0 equiv.), N8 (5.0 equiv.), CH2Cl2 (0.1 M), ?65 °C, Kessil LEDs (390 nm)(Fig. 3)。

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(圖片來源:Science

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(圖片來源:Science

在得到了最優(yōu)反應條件后,作者對此轉(zhuǎn)化的底物范圍進行了探索(Fig. 4)。首先,1-萘酚骨架上的不同取代基(如甲基、芐基、異丙基等)均可兼容,以53-61%的產(chǎn)率得到相應的產(chǎn)物。隨后,作者對C4取代的萘進行了考察,實驗結(jié)果表明其具有良好的取代基兼容性,包括OMe、HAT-活化的Me(13a)、Ph (14a)、所有鹵原子(15a-18a),吸電子基CN(19a)和酯(20a)等均可兼容,實現(xiàn)了一系列β-官能團化的烯醛衍生物的合成,產(chǎn)率為43-85%。

接下來,作者繼續(xù)評估了C8官能團化衍生物,使其能夠制備鄰位、鄰位二取代苯甲酸酯(21c22c)。這是一類具有合成挑戰(zhàn)性的衍生物,其可用于親電芳香取代(SEAr)和C-H活化。此過程也可應用于菲衍生物(26a),從而得到雙鄰位取代的聯(lián)苯26c(47%)。隨后作者探索了2-甲氧基萘25a的反應性,因為其氧化裂解可以發(fā)生在C1到C2或C2到C3之間。實驗結(jié)果表明反應選擇性地發(fā)生在C1到C2之間,以52%的收率得到25c,其具有與酯和醛相反的反應性。此外,作者利用瞬態(tài)光譜研究了25a與3N8的相互作用能力,結(jié)果表明25a3N8的雙分子淬滅過程比1a慢1個數(shù)量級 (kq(25a): 5.3±0.1 x 108, kq (1a): 3.45±0.05 x 109 M?1 s?1)。這一動力學結(jié)果表明,在含有兩種不同OMe基團的萘的裂解過程中可以實現(xiàn)位點選擇性。27c28c的選擇性形成表明,C1到C2的斷裂優(yōu)先于C5到C6或C7到C8。此外,29a的形成也證實了1-MeO與2-MeO-萘斷裂的強烈偏好,其在C4-酯基存在下實現(xiàn)了C1到C2的斷裂。

由于烷基化的1-萘酚和2-萘酚經(jīng)常出現(xiàn)在藥物的核心骨架中,因此作者探索了復雜藥物分子和高價值材料在此過程中的應用。暢銷藥物萘丙胺(30a)、(S)-達泊西汀(31a)和心得安(32a,boc保護)分別具有酰胺、叔胺和仲胺以及未保護的醇官能團,均可順利參與轉(zhuǎn)化,以42-53%的產(chǎn)率得到相應的氧化斷裂產(chǎn)物30c-32c。雖然此轉(zhuǎn)化可兼容未保護羥基的存在,但高度富電子的叔胺需要質(zhì)子化,可能是為了防止硝基芳烴的氧化。仲胺在反應條件下是可兼容的,但也需要使用boc保護來協(xié)助氨基醛的純化。度洛西?。?strong style="-webkit-tap-highlight-color: transparent;padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">33a)含有一個高度HAT-活化的位點(芐基和α-O)以及一個在O3條件下不兼容的噻吩環(huán)。該底物在N-Boc保護下,以45%的產(chǎn)率得到33c。最后,以2-MeO-萘為骨架的萘普生甲酯(34a)可以利用此策略被解構(gòu)成34c(48%)。雖然萘不能參與此過程,但作者成功地裂解了它的1-Me衍生物,以13%的產(chǎn)率得到35a

喹啉和異喹啉由于太過惰性而不能與3N8反應,但在它們的苯環(huán)中引入甲氧基后即可有效地裂解含酯和烯醛的吡啶(36c-38c)。為了進一步證明該方法的合成價值,作者以商業(yè)可得的喹啉39a和吖啶40a為例,以良好至中等的產(chǎn)率分別得到了四取代吡啶39c和三取代喹啉40c

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(圖片來源:Science

最后,作者探索了此策略在苯甲醚類化合物在斷裂中的應用。鑒于苯甲醚衍生物的穩(wěn)定能量更高,作者預計這將更具挑戰(zhàn)性。然而,雖然苯甲醚不能實現(xiàn)此過程,但作者成功利用1,2-和1,4-二甲氧基苯實現(xiàn)了此過程,但產(chǎn)率相對較低。此外,作者也通過瞬態(tài)光譜對42a3N8的反應性進行了研究,證實了其具有相當?shù)偷拇銣缧阅埽?em style="-webkit-tap-highlight-color: transparent;padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">kq = 1.8 × 108 M?1 s?1)。作者還評估了基于1,4-對苯二酚骨架的其他衍生物。43a進一步強調(diào)了該體系對HAT不穩(wěn)定位置的兼容性。44a和藥物吡丙醚(45a)是兩種非對稱底物,其分別具有環(huán)氧官能團和2-羥基吡啶官能團。在這兩種情況下,雖然氧化斷裂過程發(fā)生了,但卻不具有選擇性,得到了兩種異構(gòu)體二烯烴(44c44c';45c45 c')。除此之外,富電子的唑類以及吡咯也同樣可以兼容此轉(zhuǎn)化,以41-80%的產(chǎn)率得到相應的產(chǎn)物46c-67c。

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總結(jié)

Daniele Leonori和Alessandro Ruffoni課題組聯(lián)合報道了利用光激發(fā)的硝基芳烴實現(xiàn)了芳烴的選擇性氧化裂解。此轉(zhuǎn)化的關鍵是硝基芳烴的使用,其優(yōu)先激發(fā)到三線態(tài)π,π*態(tài)而不是n,π*態(tài)。此反應的發(fā)展彌補了傳統(tǒng)臭氧化芳烴解構(gòu)過程的不足,為芳烴的選擇性氧化裂解提供了新的途徑。 

文獻詳情:

Excited-state configuration of nitroarenes enables oxidative cleavage of aromatics over alkenes. 
Wesley J. Olivier, Piotr B?yszczyk, Enrique M. Arpa, Kenshiro Hitoshio, Miguel Gomez-Mendoza, Víctor de la Pe?a O’Shea, Isabelle Marchand, Thomas Poisson, Alessandro Ruffoni*, Daniele Leonori*. 
Science, 2025
https://www. science.org/doi/10.1126/science.ads3955


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