导语

近年来，随着光化学的进步和发展，烯烃双官能化反应引起了化学界广泛关注。在这种情况下，分子间的烯烃双官能化反应成为一种简单高效的方案，用于在碳-碳双键上安装两个有价值的基团。兰州大学许鹏飞教授课题组在前期工作中利用N-氨基吡啶盐报道了一系列自由基加成和光催化串联环化反应。

而烷氧基自由基相比于烷基自由基和其它的杂原子自由基反应活性更高，且不稳定存在。此外，由于O-H键的BDE值相比较于C-H键的BDE值更高的，因此形成的烷氧基自由基更有利于从体系中的其它底物或者溶剂中提取一个氢，发生分子内或者分子间的氢原子转移过程，最终形成更稳定的烷基自由基；形成的氧自由基还可以引发分子内β键的断裂用于C-H键和C-C键的功能化。因此，找到一个合适的受体来有效地捕获烷氧基自由基是很有必要的。然而，同时引入烷氧基和吡啶基来开发烯烃的分子间双官能化是具有挑战性的。近日，兰州大学许鹏飞教授课题组利用N-烷氧基吡啶盐作为双功能试剂，在温和的反应条件下，提供了一种高原子经济性和步骤经济性的途径，成功实现了烯烃的吡啶烷氧基化反应。相关研究成果发表在Organic Letters (DOI: 10.1021/acs.orglett.4c01186)。

图1. N-功能化吡啶盐在光催化下的应用（来源：Organic Letters）

前沿科研成果

可见光介导N-烷氧基吡啶盐做双官能团试剂实现烯烃的吡啶烷氧基化反应


作者首先使用4-甲基-N-乙烯基苯甲酰胺（1a）和4-氰基取代的N-甲氧基吡啶盐（2a）作为模版底物开始研究。不同类型的碱对该反应影响较大。通过对光催化剂、溶剂、碱和催化剂的当量及时间的筛选，最终以87%的产率得到了目标产物。控制实验表明光催化剂和光照对该反应都是必要的（图2）。

图2. 条件优化（来源：Organic Letters）

该反应具有广泛的底物普适性，电子效应和位阻效应对该反应基本没有影响。当N-乙烯基苯甲酰胺芳环上具有给电子或吸电子取代基、杂环取代基时，均能以中等至良好的收率得到目标产物。除了N-乙烯基苯甲酰胺这类型底物外，作者还尝试了其它类型的双键，当远端含有酯基的未活化的双键时和乙烯基醚类化合物对该反应也是适用的。不同取代的吡啶盐作为双功能试剂都具有良好的耐受性，并提供了中等产率的目标产物。此外，含卤素基团的吡啶盐也是兼容的，提供了相应的产物。该反应范围还可以扩展到N-乙氧基吡啶盐，在温和的条件下可以转化为吡啶乙氧基化产物（图3）。

图3. 底物扩展（来源：Organic Letters）

随后，作者对该反应进行了放大量和机理验证实验。将体系同时扩大30倍，最终以60%的产率得到产物，证明了该反应的应用潜力。自由基捕获实验表明该反应为自由基反应，并不涉及离子过程。为了检验在该反应过程中，吡啶盐被光催化剂还原之后释放的吡啶是否参与了反应的进行。作者进行了竞争实验，在标准条件下，加入与2a同等当量的吡啶-4-甲酸甲酯，反应结束后，以90%的产率得到了4-氰基取代的双官能团化产物，并没有检测到甲酯取代的产物。该实验说明烷氧基自由基与烯烃加成后得到的烷基自由基是与体系中的吡啶盐发生作用，而不是吡啶。Stern-Volmer荧光淬灭实验表明，吡啶盐和烯烃都对激发态的光催化剂有一定的淬灭效果，但相比较而言，吡啶盐对其的淬灭效果更明显，充分说明该反应是由吡啶盐的还原淬灭而引发的（图4）。

图4. 放大量及机理验证（来源：Organic Letters）

最后，作者对该反应过程提出了机理假设：首先，在光照条件下，激发态的光催化剂与N-烷氧基吡啶盐发生单电子转移，被还原后的吡啶盐释放出烷氧基自由基和吡啶，随后亲电的烷氧基自由基与烯烃发生加成生成烷基自由基Ⅰ，它会与体系中的吡啶盐发生作用得到自由基阳离子中间体Ⅱ，在Ir(Ⅳ)的作用下，中间体Ⅱ被氧化失去一个质子得到吡啶盐Ⅲ，最后继续被激发态的Ir(Ⅲ)还原得到目标产物，同时释放烷氧基自由基继续参与下一个催化循环。

图5. 可能的机理（来源：Organic Letters）

总结：

该团队成功地开发了一种利用光氧化还原催化实现烯烃的吡啶烷氧基化的新策略。在这个过程中，N-烷氧基吡啶盐作为双官能团化试剂，吡啶不再作为被浪费掉的部分，而是在温和的条件下被充分利用，提供了一种简单而经济的方法来同时构筑了两个新的化学键，这一策略补充了N-烷氧基吡啶盐在这光催化领域中的空缺。该反应具有广泛的底物范围和良好的官能团耐受性。

本篇工作通讯作者为兰州大学的许鹏飞教授。兰州大学硕士研究生刘婕为该论文的第一作者。

许鹏飞教授课题组简介

许鹏飞教授课题组长期致力于有机合成与催化研究，以复杂手性生物活性分子核心结构为导向，开发了新型有机光催化剂，探索了高效、简便的有机合成新方法。在Acc. Chem. Res., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Sci. China Chem.等刊物上发表SCI论文，主持包括国家自然科学基金重点项目、面上项目、省揭榜挂帅与重大项目在内的科研项目30余项。该研究工作得到了国家自然科学基金项目(21871116, U22A20390)、中央高校基本科研业务费专项资金(lzujbky-2023-stlt01)和教育部“111”项目的支持。许鹏飞教授课题组还致力于高效表面功能分子的合成与应用，在选矿药剂与动物疫苗佐剂中发挥了重要作用。

详见课题组主页：http://xupf.lzu.edu.cn。

邀稿

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