Nat. Catal.：可见光催化α-烯烃的反马式氢-官能团化反应-上海善施科技

近日，马克斯普朗克煤炭研究所Tobias Ritter课题组发展了光催化，利用氯化氢和硝酸水溶液实现了非活化烯烃的反马氏氢-氯化和氢-硝酸酯化反应。此转化是通过吖啶和无机酸原位生成的光氧化还原活性离子对来实现的，其可以同时作为电荷转移催化剂和相转移催化剂来使用。此外，氢原子转移催化剂的引入可以有效避免源自高键离解能的盐酸和硝酸具有挑战性的链增长。相关成果发表在Nature Catalysis上，文章链接DOI：10.1038/s41929-023-00914-7

（图片来源：Nat. Catal.）

α-烯烃与无机酸的氢-官能团化反应通常遵循马氏规则，从而专一性的生成支链异构体。因此，线性结构异构体的直接形成则具有一定的挑战性。反马氏加成在化学品合成（如伯醇）过程中具有重要的价值，目前只能通过化学计量氧化还原反应获得，因此会产生大量氧化剂和还原剂的浪费（Fig. 1a）。虽然近些年利用一系列亲核试剂（包括胺、硫醇和硅烷）与非活化的烯烃的催化反马氏加成反应取得了一定的进展，但构建C-Cl或C-O键的相关反应仍未有报道。尽管利用现代光氧化还原化学通过单电子氧化可以实现苯乙烯的氢-氯化和氢-氧化反应（Fig. 1b），但此类涉及自由基中间体的合成策略仅适用于活化烯烃，并且直接使用无机酸水溶液的反应过程仍然有待开发。最近，德国马克斯普朗克煤炭研究所Tobias Ritter课题组发展了利用氯化氢和硝酸水溶液实现非活化烯烃的反马氏加成反应。此转化是通过原位生成的光氧化还原活性离子对来实现的。这些离子对来自吖啶和无机酸，其可以同时作为电荷转移催化剂和相转移催化剂来使用。氢原子转移催化剂的引入可以避免由高键解离能产生的盐酸和硝酸所引起的具有挑战性的链增长过程发生（Fig. 1c）。

（图片来源：Nat. Catal.）

首先，作者选择9-芳基吖啶1作为催化剂，它本身并不具有光氧化还原催化剂的功能，但其可以被HX质子化形成光氧化还原活性吖啶催化剂（I⁺X^–）同时兼具相转移功能。首先，激发态的I⁺X^–发生单电子转移形成Cl·和NO₃·。随后Cl·与烯烃的端位加成并与硫醇催化剂发生极性匹配的HAT得到碳中心自由基III，从而得到产物。此外，通过吖啶自由基II与硫自由基的SET和质子化可以实现两种催化剂的再生（Fig. 2a）。接下来，作者利用9-(2-氯苯基)吖啶1（10 mol%）作为光氧化还原催化剂前体，硫醇（15 mol%）或二硫化物（10 mol%）作为HAT催化剂在可见光（蓝光）引发下室温反应24小时可以分别以62%和61%的产率实现反马氏氢-氯化产物2和氢-硝酸酯化产物3的合成（Fig. 2b）。

（图片来源：Nat. Catal.）

在得到了最优条件后，作者对此反马氏氢-官能团化反应的底物范围进行了探索（Fig. 3，Fig. 4a）。实验结果表明，简单的α-烯烃的氢-氯化（4）和氢-硝酸酯化（27）对生成线性异构体的偏好大约为一个数量级。当反应放大至10 mmol规模时，反应产物可以通过蒸馏的纯化方式得到单一异构体（反马氏产物）。对于酸性敏感的底物（12），可以使用吡啶盐酸盐替代氯化氢来实现转化。值得注意的是，一系列官能团，如酯、磺酸酯、磺酰胺、硅基、酮、腈和羧酸，可以与无机酸水溶液体系相兼容，这可能是双相反应体系具有一定的相转移作用的结果。含杂芳烃的烯烃也可以在反应中兼容，且并没有观察到自由基与芳香环的加成产物生成（15-17, 25），产率为41-86%。当使用内烯烃参与反应时，可以得到等量的构造异构体混合物（22, 39）。即使使用1,1-二取代烯烃也可以区域选择性的实现氢-官能团化（20, 21, 23, 35-38, 40, 41)，产率为42-82%。对于环状1,1-二取代和三取代烯烃的反应，可能是由于中间体正离子在质子化过程中具有较高的稳定性，因此产物具有马氏选择性。烯丙基苯的区域选择性氢-官能团化超出了反应的范围（18），这可能是由于较弱的苄基和烯丙基C-H键（BDE = 82 kcal mol⁻¹）的竞争HAT过程发生。值得注意的是，产物中的烷基氯可以通过亲核取代反应或作为烷基自由基前体发生进一步官能团化。此外，产物中的硝酸酯基还可以进一步转化为羟基、碘和硫氰基（Fig. 4b）。

（图片来源：Nat. Catal.）

为了深入理解反应机理，作者进行了一系列控制实验（Fig. 5）。尽管Stern-Volmer淬灭原则上不能用与反应相关的离子对进行，但即使是使用原位生成的I⁺BF₄^-和淬灭剂（Cl^-，NO₃^-和1-十二烯）的反应结果也与Cl^-或NO₃^-对I⁺的还原淬灭一致。随后，自由基捕获实验证明在还原淬灭过程中形成了Cl·和NO₃·。尽管作者最初尝试通过更稳定的内碳自由基与端碳自由基之间的稳定性差异来解释反马氏选择性，但通过DFT计算作者得出此转化的选择性可以利用Curtin-Hammett原则加以解释。两个碳自由基通过1,2-氯迁移（1,2-chlorine shift）的相互转换非常快，计算能垒为ΔG^‡= 8.2 kcal mol⁻¹。且计算结果表明产生线性产物和分支产物的两个过渡态的能量差为ΔG_TSbranched−ΔG_TSlinear = 1.5 kcal mol⁻¹，这与实验所观察到的选择性一致。

（图片来源：Nat. Catal.）

Tobias Ritter课题组发展了在可见光催化下，利用盐酸和硝酸水溶液实现了非活化烯烃的反马氏加成反应（氢-氯化和氢-硝酸酯化）。此反应通过吖啶和无机酸原位生成的光氧化还原活性离子同时作为电荷转移催化剂和相转移催化剂来促进反应发生。此外，使用HAT催化剂可以有效避免盐酸和硝酸所引起的链增长过程发生。此反应策略还有望扩展到氢-氧化反应中，可能有助于实现具有挑战性的α-烯烃的反马氏水合过程。

文献详情：

Jungwon Kim, Xiang Sun, Boris Alexander van der Worp, Tobias Ritter*. Anti-Markovnikov hydrochlorination and hydronitrooxylation of α-olefins via visible-light photocatalysis, Nat. Catal., 2023, https://doi.org/10.1038/s41929-023-00914-7.