【催化】ACS Catal.：可见光催化将C-H键直接转化为C-C键

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光氧化还原催化在机化学领域有着举足轻重的地位。合成工作人员利用光氧化还原催化开发了大量基于自由基中间体的非常规方法。这些方法主要是通过单电子转移（SET）反应来激活有机底物，而更直接的激活底物的方法是直接光催化氢原子转移（d-HAT），其中活性光催化剂通过直接裂解C−H键而发挥作用。 然而，这种方法由于缺乏可用的光催化剂和需要高能量的紫外光而受到严重限制。

近日，意大利帕维亚大学Davide Ravelli课题组报道了在蓝光照射下，利用六水硝酸铀酰作高效光催化剂，通过氢原子转移（HAT）使C−H键直接转化为C−C键。这种铀酰盐可以使未活化的烷烃、醚、缩醛和酰胺与亲电烯烃上的自由基发生加成反应，顺利实现高效的基团官能化。相关成果以“Visible Light Uranyl Photocatalysis: Direct C−H to C−C Bond Conversion”为题发表于ACS Catal.（DOI: 10.1021/acscatal.9b00287）。

首先，作者以苄烯丙二腈2a为Michael受体模型，通过观察环己烷（1a）与2a的加成反应情况对反应条件进行优化（Table 1）。在对溶剂、光催化剂负载量、光强以及反应时间进行筛选后，作者发现，以丙酮为溶剂、六水硝酸铀酰（8 mol%）为催化剂，在456 nm光（40 W LED，光强：400 W·m−2）照射下，2a和1a反应可以96%的收率（2a完全转化）得到目标产物3。之后，作者进一步证明，该反应需要光和光催化剂同时存在才能发生，而在黑暗中以丙酮加热回流24小时并不能得到任何产物。

（来源：ACS Catal.）

接着，作者对供氢体底物1进行底物拓展（Table 2）。在极温和的条件下，几种含有未活化亚甲基的环烷烃能够顺利进行反应，以中等至良好的收率得到目标产物（化合物3-7）。当光催化剂用量为15 mol%时，2,2,4-三甲基戊烷1f也能以68%的收率得到产物8。然后，作者将注意力转移到含氧化合物的官能化，如醚和缩醛，它们分别通过可见光催化生成α-氧和α,α-二氧自由基。加成产物10-13的收率为58-70％。值得注意的是，光催化1,3-二氧戊环的C−H键裂解在2位具有完全的选择性。作者将甲醇用作H供体对2a进行加成，通过自发环化以75％的收率得到化合物14。由于2a是定量的，所以二甲基甲酰胺（DMF）的官能化是非常高效的。这种情况下，C−H键活化并不是区域选择性的，因为该反应最终以2:1的比例分别得到α-酰胺烷基和氨基甲酰基自由基的加成物（化合物15和15’）。并且，该反应还可以用于脂肪醛的酰化。

（来源：ACS Catal.）

然后，作者进一步考察烯烃的底物范围（Table 3）。作者以1a作为H供体模型，首先测试了烯烃2a芳香环上的取代模式。结果显示，烷基化的收率不受芳环上取代基电性的影响，但含有供电子基的芳环需要较长的辐照时间（96 h）才能实现完全转换。同样地，当COOMe基团取代CN基团使烯烃的亲电性显著降低时，虽然加成物24-25的反应时间长达65小时，但是不影响反应收率。最后，作者测试了与苯乙烯衍生物不同的烯烃。其中异亚丙基丙二腈2j和环己基亚己基丙二腈2k的β,β-二取代反应活性略有下降，且2k并未完全转化，以82%的收率得到加成物27。亚乙基丙二酸二甲酯2l可顺利进行反应，以82%的收率得到目标产物且烯烃完全转化。1a与共轭酮（如3-亚甲基-2-降冰片酮2m）反应，以69%的收率得到非对映体产物29。在二甲基顺丁烯二酸2n的烷基化反应中，以Me2CO/H2O为反应介质，可以60%的收率得到化合物30。

（来源：ACS Catal.）

最后，作者提出反应机制（Figure 1）。铀酰阳离子在可见光照射下形成激发态（[U]*），激发态（[U]*）通过d-HAT过程使底物活化，产生碳中心自由基，其易被缺电子烯烃2所截取，从而形成自由基中间体I·。然后，I·促进光催化剂还原形式（H+ [U]RED）的再氧化，以获得目标加成物。

（来源：ACS Catal.）

总结：作者证明了铀酰阳离子可以作为光催化剂用于d-HAT中C−C键的形成。该方法操作简单，不需要任何添加剂，且具有稳定性、高效性和选择性。