【人物与科研】贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室潘卫东/任海课题组：噁唑啉/铜催化烷氧自由基的生成及官能化反应研究

由醇氧化生成烷氧自由基一直是有机合成领域极具挑战的课题。如何发展廉价、易得的催化剂实现醇氧化生成烷氧自由基并实现烷氧自由基启动的官能化反应，相关研究具有非常重要的理论意义和实用价值。最近，贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室（贵州医科大学天然产物化学重点实验室）潘卫东/任海课题组在该领域取得了新的发现和突破（Organic Letters, 2019, DOI: 10.1021/acs.orglett.9b02394）。

潘卫东/任海课题组现有固定工作人员7人，其中具有博士学位者3人；在站博士后1人、在读博士研究生2人、在读硕士研究生11人。主要从事基于天然产物导向的药物化学和合成方法学研究。

2005年10月毕业于法国巴黎第六大学分子化学专业并获理学博士学位，2005-2007年间曾在比利时Namur大学从事生物有机化学博士后研究。现任贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室（贵州医科大学天然产物化学重点实验室）研究员，省部共建药用植物功效与利用国家重点实验室副主任、学科带头人。主要从事天然药物化学研究，主要研究方向有：1）天然药用活性先导化合物的发现、全合成及衍生物合成研究；2）植物源（单体或复方制剂）农药研究。先后入选中国科学院“西部之光”人才计划、贵州省“十、百、千”人才培养计划“百”层次人选、贵州省优秀青年科技人才、贵州省第十二届青年科技奖、贵州省政府特殊津贴及贵州省省管专家等。先后主持科技部“重大新药创制”科技重大专项、国家基金（5项）等20余项科研项目。相关研究结果发表论文80余篇，其中以第一或通讯作者发表SCI论文40余篇；申请国内外专利8项，其中PCT国际专利2项（获得美国专利授权1项）；获得贵州省科技进步一等奖1项。

2012年毕业于同济大学，获得工学学士学位。2017年在中国科学院上海有机化学研究所获得博士学位，师从著名有机化学家唐勇院士。2018年5月起就职于贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室（贵州医科大学天然产物化学重点实验室）从事科研工作，中国科学院“西部之光-青年学者”，主要研究方向为金属催化的有机合成方法学及应用研究。

噁唑啉/铜催化烷氧自由基的生成及官能化反应研究

自上世纪90年代开始，铜催化醇的需氧氧化至相应的羰基化合物的研究得到了快速的发展，并取得了一系列令人鼓舞的成果。但是由铜催化醇的氧化至氧自由基一直未见报道。色醇作为一类简单易得的化工原料，在合成化学中得到了广泛的应用。常见的反应主要是依靠色醇模块中吲哚芳环的强亲核性，而直接利用色醇的醇羟基启动的串联反应来构建吲哚并杂环化合物并不多见。最近，该课题组选用色醇作为反应底物，在不加入TEMPO等氧化剂的条件下，利用噁唑啉/Cu(II)催化剂成功实现了烷氧自由基的生成；紧接着，烷氧自由基经过分子内的加成关环生成了C3自由基呋喃吲哚啉中间体。该中间体在溶剂化效应下能够分别经过自由基二聚反应和烷氧基化反应生成不同的产物，最终实现结构新颖的3a,3a’-双呋喃吲哚啉和3-烷氧基取代的呋喃吲哚啉类化合物的一步合成（图1）。

图1：铜催化烷氧自由基的生成及官能化反应

（来源：Organic Letters）

在优化的条件之下，课题组对反应的底物普适性进行了研究。在THF作为溶剂条件下，课题组发现苯环上含富电子取代基的色醇底物具有较好的效果，能够取得中等到优秀的产率。值得一提的是，这是首次实现3a,3a’-双呋喃吲哚啉这类具有连续大位阻手性中心化合物的合成，反应具有非常高的效率和原子经济性（图2）。而当选用醇作为溶剂的时候，反应具有更为广泛的底物普适性，利用该方法能够高效率、高原子经济性地实现一系列3-烷氧基取代的呋喃吲哚啉衍生物的合成（图3）。

图2：自由基二聚反应的底物普适性

（来源：Organic Letters）

图3：烷氧基化反应的底物普适性

（来源：Organic Letters）

课题组对该反应的机理进行了系统而深入的研究（图4）。首先他们向反应体系中加入1当量的TEMPO，发现有需氧氧化产物醛的生成，由此证明了在该催化剂条件下能够形成Cu(II)-OR中间体。经过经典的自由基Clock实验，他们证明了在该催化条件下烷氧自由基的生成。当色醇与具有较小位阻的N-甲基吲哚底物进行交叉实验时，二聚化的产物也能够取得相当的产率，间接证明了反应经历了C(SP³)-C(SP³)自由基二聚的过程。课题组还做了大量的有关催化剂的研究，包括催化剂络合物的制备及催化活性、催化剂氧化还原电势的测定等，为反应的烷氧自由基途径提供了较为有力的证据。最终提出的可能的反应途径如图4d所示：首先Cu(II)物种与醇经过配体交换反应形成中间体A，随后其通过单电子转移形成烷氧自由基中间体B，该中间体经历分子内烷氧自由基的加成关环生成中间体C，中间体C经过碳自由基二聚最终形成了目标产物2a；同时，中间体C能够进一步被氧化形成3-碳正离子中间体，该中间体被烷氧基捕获形成产物3。目前，关于该策略的应用及更为深入的机理研究正在进行当中。

图4：反应机理及可能的反应途径

（来源：Organic Letters）

总结：潘卫东/任海课题首次报道了铜催化醇羟基氧化生成烷氧自由基这一过程，并实现了烷氧自由基启动的官能化反应。该策略高效、高原子经济性地一步构建了结构新颖的3a,3a’-双呋喃吲哚啉和3-烷氧基取代的呋喃吲哚啉类化合物。该工作以“Oxazoline-/Copper-Catalyzed Alkoxyl Radical Generation: Solvent-Switched to Access 3a,3a’-Bisfuroindoline and 3-Alkoxyl Furoindoline”为题发表在Organic Letters上（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b02394）。任海副研究员为该文第一兼共同通讯作者，潘卫东研究员为共同通讯作者。上述研究得到了贵州省科技基金、省部共建药用植物功效与利用国家重点实验室及中国科学院“西部之光-青年学者”项目的资助。

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