质谱研究助力发现可见光诱导[2 + 2]环加成反应学术资讯

来源：X一MOL资讯

Paternò-Büchi反应是一类光诱导的[2+2]环加成反应，紫外光诱导反应物中的羰基化合物激发与处于基态的烯烃发生环加成产生含氧杂丁烷。含氧杂丁烷是一种重要的结构单元，可衍生得到多种具有生物活性的药物中间体。Paternò-Büchi反应是产生这一结构单元的主要手段。长时间以来，研究人员多方尝试开发与之不同的反应机理进行C=O和C=C键的[2+2]环加成。Sivaguru等人报道了“Transposed Paternò-Büchi”反应，通过激发烯烃与基态的羰基发生[2+2]环加成（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 655）。Flores等人报道通过激发金属-烯烃复合物，使之与基态的羰基化合物发生[2+2]环加成（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 8741）。到目前为止，诱导C=O和C=C键发生[2+2]环加成产生含氧杂丁烷的光激发波长仍限制于紫外光区域。反应底物中羰基化合物与烯烃的相互作用对[2+2]环加成反应的影响尚未可知。

清华大学质谱研究团队利用质谱高灵敏度的特性，且质谱的电喷雾源具有可完好的保持溶液相中已形成的非共价复合物的特点，成功的表征到反应底物中羰基化合物与烯烃的非共价相互作用，实现可见光诱导C=O键和C=C键[2+2]环加成产生含氧杂丁烷，这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。

2014年，瑕瑜教授团队发现生物分子脂质中的C=C键可与羰基化试剂发生Paternò-Büchi反应，通过串级质谱表征形成的含氧杂丁烷可得到包含双键位置信息的一对特征离子峰，进而鉴定脂质双键位置异构体（Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 2592）。欧阳证教授与瑕瑜教授合作，将这一方法用于脂质组学研究，提高脂质分子分析的结构解析度，并开展了一系列相关仪器、方法及生物医学应用开发的研究工作（Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2016, 113, 2573; Nat. Commun., 2019, 10, 79; Nat. Commun., 2020, 11, 375）。

这些研究工作表明通过串级质谱表征含氧杂丁烷可以指示[2+2]环加成反应。在此项研究中，该研究团队以含有一个不饱和双键的脂肪酸甲酯作为模型分子，研究其与羰基化试剂二苯甲酮的非共价相互作用，纳升电喷雾质谱（nano-ESI MS）表征到反应物可以高效的形成非共价相互作用复合物，可见光激发后的反应产物包含含氧杂丁烷，表明已发生可见光诱导的C=O和C=C键的[2+2]环加成反应（图1）。进一步，采用含多个不饱和C=C键的脂肪酸甲酯、脂肪酸及二酰基甘油进行反应，质谱都可以表征到反应物形成非共价复合物及分子中每个C=C键发生[2+2]环加成产生含氧杂丁烷。

图1. 单不饱和脂肪酸甲酯与二苯甲酮形成复合物及可见光诱导[2+2]环加成反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
作者采用铺集离子淌度质谱对非共价复合物和可见光诱导的[2+2]环加成光化学产物的结构形成了表征（图2）。结果表明经可见光诱导后，反应产物中可以明确表征到两个光化学产物峰，对应于含氧杂丁烷环的一对位置异构体。

图2. 非共价复合物及[2+2]环加成光化学产物的铺集离子淌度质谱表征。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
众所周知，含C=C键的不饱和脂肪酸甲酯和二苯甲酮都只在紫外光区域有吸收，也就是说只有紫外光可以激发反应底物，那么是什么原因促使可见光激发该反应促进反应物中的C=O和C=C键发生[2+2]环加成？其反应机理值得探究。作者通过密度泛函理论计算认识到反应溶剂中氢质子H+在这一可见光反应中发挥重要作用（图3）：（1）作为“桥点”连接反应物的C=C和C=O键实现二者的非共价相互作用；（2）H+促进C=C键中的π电子在可见光诱导下转移至二苯甲酮。当溶剂中的Na+离子参与此过程时，非共价复合物在可见光区域没有吸收。

图3. 含Na+和H+的非共价复合物及UV-vis吸收。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

该研究工作表明可以不依赖反应底物的激发波长，通过构建反应底物的相互作用可以实现吸收波长红移至可见光区域，温和条件下转化C=C和C=O键形成含氧杂丁烷环。
该论文第一作者为清华大学精密仪器系博士后李海方，通讯作者为欧阳证教授，合作作者为清华大学化学系瑕瑜教授。

原文：Visible-Light-Driven [2+2] Photocycloadditions between Benzophenone and C=C Bonds in Unsaturated LipidsHai-Fang Li, Wenbo Cao, Xiaoxiao Ma, Xiaobo Xie, Yu Xia, Zheng Ouyang*J. Am. Chem. Soc., 2020. DOI: 10.1021/jacs.9b12120

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