【CCS Chem.】上科大黄焕明课题组与UCLA Houk团队：可见光驱动氧杂-双-π-乙烷重排反应-上海善施科技

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氧杂-二-π-甲烷（ODPM）重排是一种通过直接光照或三重态敏化光化学途径将β,γ-不饱和酮转化为环丙基酮的通用方法（图1A）。该转化反应于20世纪60-70年代被发现并深入研究，至今仍在天然产物合成与修饰中具有广泛应用。例如，Demuth和Hinsken成功利用ODPM重排作为合成角型三奎烷类似物的关键步骤（图1B，I）。近期，Wan、Chen及其团队研究表明ODPM重排可模拟生成euphohelioscoid A的生物过程。Maimone团队近期通过ODPM重排作为关键步骤，成功构建了多环结构库（图1B，II）。ODPM重排亦应用于甾体化合物的后期修饰，吴晶晶团队通过仿生光化学ODPM重排成功构建了Cucurbalsaminones母核结构（图1B，III）。最近，丁寒峰团队报道了以光化学ODPM重排为关键步骤的高效合成daphlongamine B四环核心结构的策略（图1B，IV）。

（图源：CCS Chem.）

近日，上海科技大学黄焕明课题组基于对光化学重排的研究兴趣（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 18210，J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 19, 16248–16254，Nature Commun. 2025, 16, 9417等），发展了一种同系反应——氧杂-双-π-乙烷（ODPE）反应（图1C，I型），该反应对具有γ-芳基或烯基取代基的γ,δ-不饱和酮具有普适性，通过合适的三重态敏化光催化剂，实现了α-环丙基酮衍生物的合成。此外，课题组将ODPE重排进一步拓展到螺环化合物的构筑（图1C，II型）。此外，该课题组还与美国加州大学洛杉矶分校(UCLA) 的K. N. Houk课题组合作，对该类ODPE重排反应进行了详细的DFT理论计算。理论计算为ODPE重排反应的进一步开发与设计提供了理论指导。

第一种类型的ODPE重排反应，在最优条件下，作者探索了一系列不同的环酮底物，芳香环上多种取代基（如卤代物、氰基、三氟甲基等）、杂环芳烃、不同大小的环酮、简单二烯、环内二烯以及环1，3-二酮衍生物都能以中等至优异的收率得到ODPE重排产物。

（图源：CCS Chem.）

基于环酮体系取得的成功，作者进一步发展了第二类ODPE重排反应，并拓展至螺环化合物的合成。通过系统筛选溶剂与光催化剂，最终确立了最优反应条件。如图所示，该优化条件展现出优异的官能团兼容性与环尺寸适应性。含氮、氧及氟的六元环底物均能顺利转化，以优良产率获得目标螺环产物。七元环、四元环及氮杂环丁烷同样能高效参与反应，彰显了该方法构建多样螺环骨架的普适性。在无环体系探索中，四取代三元环以99%的分离收率获得。除醛类外，作者重点研究了在药物化学中具有重要价值的氟代酮类底物。在最优条件下，三氟甲基酮和二氟甲基酮均能以近定量收率高效转化为三元环产物。其他酮类底物也成功构建了相应螺环结构。

（图源：CCS Chem.）

结合理论计算结果，作者提出如下的反应可能路径：首先底物1a被激发到三重态，该物种通过过渡态TS1（能垒10.5 kcal/mol）进攻羰基，形成中间体INT1（1.3 kcal/mol）。随后INT1经由TS2（3.4 kcal/mol）发生开环反应，生成八元环中间体INT2（-14.1 kcal/mol）。最终产物2（-47.5 kcal/mol）通过构象调整、系间窜越及单重态双自由基塌陷形成。针对实验中未观察到的氢原子转移（HAT）副反应，作者计算得到其过渡态TS_HAT（14.5 kcal/mol）及产物INT_HAT（-3.0 kcal/mol，为1,4-自由基）。TS_HAT能垒较TS1高4.0 kcal/mol，从理论上解释了该路径难以发生的原因。

为探究环闭合选择性，作者对INT2的环化过程进行了详细计算。在三重态INT2(T)最稳定构象中，苯基与酯基分别位于环两侧；而两者同侧的顺式构象能量升高1.5 kcal/mol。经系间窜越形成的单重态INT2(S)（0.9 kcal/mol）可通过过渡态TS3（5.7 kcal/mol）生成反式产物trans-2（-10.0 kcal/mol）。值得注意的是，在生成顺式产物cis-2（-33.4 kcal/mol）的路径中，由于顺式构象中自由基轨道处于面对面取向，系间窜越后无需能垒即可直接环化，且cis-2的热力学稳定性较trans-2高出23.4 kcal/mol，这合理解释了实验中仅观测到顺式产物的现象。通过计算两种路径的最小能交叉点（MECP），显示反式MECP相对于INT2(T)为0.1 kcal/mol，顺式MECP为0.8 kcal/mol。

（图源：CCS Chem.）

以上成果近期发表于中国化学会旗舰期刊CCS Chemistry上。上海科技大学博士后郑雨为第一作者（目前已经入职中南大学），UCLA的K. N. Houk教授及上海科技大学黄焕明教授为该工作的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委及上海科技大学启动经费的支持。

论文信息：

The Photochemical Oxa-di-π-EthaneRearrangement of γ,δ-UnsaturatedCarbonyls to Form α-CyclopropylCarbonyl Compounds

Yu Zheng, Qinghan Hou†, Shu-Ya Wen†, Hui Ran†, Chang Lu†, Qi-Xin Dong, K. N. Houk* and Huan-Ming Huang *

CCS Chemistry, 2025

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