JACS: 可见光驱动不饱和脂质 C=C 键与二苯酮的[2+2]光环加成反应

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今天和大家分享一篇瑕瑜老师近期发表的关于 PB 反应深入研究的一个工作(J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 3499-3505)。
背景:
      本工作的研究目的是实现
可见光下合成药物前驱体含氧杂环丁烷 底物传统的合成氧杂环丁烷方案为 PB 反应,然而该反应需要采用特殊的反应条件反应底物, 即紫外光激发羰基(n→π*跃迁) 与烯烃双键发生环加成。为了促使更多基团能参与到该合成目的,一些代表性的工作包括, Sivaguru 等人提出“转置”PB 反应, 即用紫外光激发烯烃双键(π→π*跃迁), 之后加成到含羰基底物中。另外一种方案为首先构筑金属-烯烃复合物,之后通过紫外光激发该物质加成到不同种类的含羰基底物中。该方案是非共价作用[2+2]环加成合成代表性应用,也是激发本工作的研究思路之一,即利用非共价作用在可见光驱动下合成氧杂环丁烷(图 1)。

图 1

实验结果:
      作者首先将不饱和脂质分子 
FAME 18:1 (Δ9)和二苯酮混合, 在没有光的条件下,通过质谱图可以看到两者的加成离子峰([CP+Na]+)(图 2a),对该加成物进行二级质谱鉴定得到的初始的两个反应物峰(图 2c),表明[CP+Na]+为无光条件下形成的非共价加成物。(若是形成了氧杂环丁烷,二级质谱图上必然会存在另外两种新的碎片)。而通过光照 20 min 后, 一级质谱图上观察到一个相对更低的[FAME+Na]+离子峰(图 2b),同时对一级质谱图种的[visCP+Na]+离子进行二级质谱鉴定后发现了两个新的明确质量差为 150 Da 的离子峰(图 2d),即说明形成了氧杂环丁烷。(作者同时做了对比试验,发现饱和脂质亦能和二苯酮形成加合物)

图 2

      作者采用了离子淌度质谱来区分反应混合物中的非共价加成物和光驱动含氧杂环丁烷产物。对于 FAME 和二苯酮的非共价混合物,在 EIM(提取离子迁移图)上显示为一个单峰(图 3a)。而在光作用后,则可以观察到三个主峰。结合在1/K的 1.089-1.101 区域的二级质谱图(图 3e)以及 FAME 和二苯酮(BzpEIM(图 3c)可以得出 1/K在 1.089-1.101 对应物质为非共价化合物。此外,结合图 3d,图 3f 和图 3c,可以得出另外两个主峰分别对应光驱动含氧杂环丁烷产物的两种位置异构体。

图 3

      紫外可见吸收谱实验表明二苯酮在 400 nm 以上波长无吸收,而当 FAME 加入后,却发现非共价加成物在 400-600 nm 处有弱吸收。为了说明可见光催化反应发生与该处吸收有关,并进一步说明反应发生的机理,作者采用了理论计算来研究机理。理论计算发现, 二苯酮加钠峰发生 n→π*的激发波长为 344 和 322 nm,在 400 nm 以上波长无吸收, 这与实验结果一致。此外,根据图 4b 也可以发现,以钠离子作为桥接的二聚体对应的非共价加合物的计算激发波长在 317 和 301nm,这说明钠离子对反应的发生不起主要作用。考虑到质子耦合电荷转移(PCET) 机理,作者重新计算发现,二苯酮的加氢峰的激发波长红移了 42 nm 到 386 nm(图 4a),说明 H+对反应发生存在可能的促进作用。进一步计算以氢离子作为桥接的二聚体对应的非共价加合物的吸收波长(图 4c), 可以发现单线态激发波长在 538 n→π*跃迁) 和 521 nm(是 538nm 处吸收强度的 倍, π→π*跃迁)。以上结果说明 H+在光催化[2+2]环加成反应中所起的作用,基于此,作者提出了该反应的机理(图 5)。

图 4


图 5

未完待续


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