安徽大学宣俊教授课题组:可见光照射下BI-OAc加速的喹喔啉-2(1H)-酮C3-H烷基化反应



导语

4-烷基-1,4-二氢吡啶(R-DHPs)作为烷基自由基的前体,广泛应用于可见光促进的自由基烷基化反应。由于光照条件下产生的激发态R-DHPs存活时间短电子转移的低效率,反应中往往需要加入合适的自由基受体,如金属镍复合物等来辅助烷基自由基的形成。近日,安徽大学宣俊教授课题组发现高价碘试剂BI-OAc作为新的非金属电子受体与激发态的R-DHPs发生单电子转移从而产生烷基自由基,完成喹喔啉-2(1H)-酮的C3-H烷基化反应。相关成果在线发表于Org. Lett.DOI: 10.1021/acs.orglett.0c02080


宣俊教授课题组简介

安徽大学宣俊教授课题组:可见光照射下BI-OAc加速的喹喔啉-2(1H)-酮C3-H烷基化反应

课题组成立20179月,研究兴趣主要集中于发展绿色、高效的杂环合成方法学主要包括氮氧杂烯丙基阳离子参与的环加成反应,自由基串联环化以及可见光促进下杂环化合物的合成。围绕上述研究方向,近三年来以通讯作者在Chem. Soc. Rev.; Sci. Bull.; Org. Lett.; Chem. Commun.等期刊上发表论文20余篇。目前课题组有教授1名、硕士研究生9名,本科生4名。


宣俊教授简介

安徽大学宣俊教授课题组:可见光照射下BI-OAc加速的喹喔啉-2(1H)-酮C3-H烷基化反应

宣俊,安徽大学化学化工学院教授。2009年毕业于阜阳师范大学,获学士学位。2015年在华中师范大学获博士学位,导师为肖文精教授。随后获德国洪堡基金会资助于明斯特大学有机化学研究所从事博士后研究,合作导师为Armido Studer教授。2017年入职安徽大学化学化工学院。曾获德国洪堡博士后奖学金、湖北省优秀博士学位论文等多项奖励。目前主持国家自然科学基金,安徽大学高层次人才科研建设基金,物质科学与信息技术研究院开放基金等多个基金项目。

安徽大学宣俊教授课题组:可见光照射下BI-OAc加速的喹喔啉-2(1H)-酮C3-H烷基化反应


前沿科研成果:可见光照射下BI-OAc加速的喹喔啉-2(1H)-酮C3-H烷基化反应

4-烷基-1,4-二氢吡啶R-DHPs作为烷基自由基的前体被广泛应用于光催化自由基反应中,产生烷基自由基反应过程主要分为两类(图1):1. R-DHPs与激发态的光敏剂发生单电子转移;2. 在可见光的照射下,激发态的R-DHPs 经过直接C-C键的均裂或者与电子受体nickel complex发生单电子转移。由于激发态的R-DHPs存活时间短电子转移效率低,故通过途径2产生烷基自由基的工作没有得到完善的发展。该工作发现了高价碘试剂BI-OAc作为非金属电子受体与激发态R-DHPs完成单电子转移产生烷基自由基,有效地完成喹喔啉-2(1H)-酮的C3-H烷基化反应


安徽大学宣俊教授课题组:可见光照射下BI-OAc加速的喹喔啉-2(1H)-酮C3-H烷基化反应

1. 可见光照射下R-DHPs产生烷基自由基反应历程(来源:Org. Lett.


作者首先以N-甲基-喹喔啉-2(1H)-酮和Bn-DHPs作为原料对反应条件进行了优化,最终在最优条件下以94%的收率得到目标产物3-苄基喹喔啉-2(1H)-酮。随后作者考察了N-不同取代的喹喔啉-2(1H)-酮,反应体系体现了良好的官能团耐受性。作为伯、仲、叔碳中心自由基前体的DHPs都通过该方法顺利产生烷基自由基,并完成喹喔啉-2(1H)-酮的烷基化反应。同时反应可以放大至3 mmol规模,并得到了良好的收率。为了验证该无光催化剂的自由基烷基化方法的潜在应用,作者将一些天然产物(例:邻香草醛、香草醛、姜酮和胡椒酸)和药物活性分子(例:布洛芬、阿司匹林和维生素E)引入喹喔啉酮骨架,在最优的反应条件下都可以以较好的收率得到了目标烷基化产物(图2)。

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2. 底物适用范围的研究(来源:Org. Lett.


为了体现该方法的实用性,作者通过氧化反应和点击反应在喹喔啉酮骨架上引入其他的一些杂环骨架,例:环氧乙烷和三唑。进一步研究发现该方法完成了以Lawsone为原料一步合成Parvaquone(图3)。


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3. 喹喔啉-2(1H)-酮骨架的进一步修饰以及Parvaquone的合成(来源:Org. Lett.


最后,根据文献报道以及一系列的机理实验验证了激发态R-DHPs与BI-OAc经历了单电子转移过程。作者推测反应机理如下(图4):激发态的R-DHPs与BI-OAc进行单电子转移产生R-DHP+随后裂解产生了烷基自由基并释放吡啶副产物。烷基自由基对喹喔啉酮的不饱和C=N双键进行自由基加成生成氮中心自由基中间体,最后经历了1,2-氢迁移和氧化脱质子完成了喹喔啉-2(1H)-酮的烷基化反应。机理验证实验结果指出,激发态R-DHPs直接进行C-C键的均裂产生烷基自由基的过程在反应过程中也存在,但并不是反应的主要途径同时核磁实验和紫外-可见吸收实验也证实了,在该反应过程中电子给受体复合物(EDA complex)并未形成。


安徽大学宣俊教授课题组:可见光照射下BI-OAc加速的喹喔啉-2(1H)-酮C3-H烷基化反应

4. 反应机理(来源:Org. Lett.


综上所述,宣俊课题组通过高价碘试剂BI-OAc作为电子受体加速了R-DHPs光照条件下产生烷基自由基,实现了喹喔啉-2(1H)-酮的C3-H烷基化反应。该方法具有良好的官能团兼容性,避免了光催化剂的使用以及过渡金属作为电子受体。该工作发表在Organic LettersDOI: 10.1021/acs.orglett.0c02080),论文作者为:Xiang-Kui He, Juan Lu, Ai-Jun Zhang, Qing-Qing Zhang, Guo-Yong Xu and Juan Xuan。上述研究工作得到了国家自然科学基金委No. 21971001, 21702001和安徽省自然科学基金委No. 1808085MB47的资助


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