蘭大化學院曹小平課題組Angew 光催化的芳基醚的芳基遷移反應

導讀

近日，蘭州大學化學化工學院的曹小平教授課題組在德國應化（Angew. Chem, Int, Ed）上發表高水平文章，報道了他們在可見光催化的芳基醚中芳基遷移反應方面的新發現。作者利用鄰羥基苯甲酸類底物形成的芳基芳基醚，在可見光促進下，經歷逆Smiles重排反應，芳基從酚羥基上遷移到羧基上，該方法條件溫和，不需要過渡金屬、也不需要當量的氧化劑和鹼，非常高效地切斷了一根碳氧鍵，還可以一鍋兩步反應得到兩個酚類化合物，並且可以實現克級規模的製備，該方法可以用於藥物研發和材料的合成，文章DOI: 10.1002/anie.201706597。本文的通訊作者還包括西安交通大學前沿科學技術研究院的李洋教授，李洋教授是曹小平教授的博士畢業生，這也是她們共同合作的一篇文章。

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各類芳基遷移的反應被發展起來，並表現出了廣泛的應用價值，但芳基醚中的芳基遷移得到酯的報道還是非常少的，1955年，才有了第一例報道。近期，Hossian和Jana等人報道了以羧酸為起始原料在銀催化下的芳基遷移反應，但需要當量的強氧化劑K2S2O8和鹼，且產率一般。在本文的工作中，作者從鄰羥基苯甲酸類底物形成的芳基芳基醚1出發，在光照射下，發生芳基遷移得到鄰羥基苯甲酸酯2，反應中僅用到PDI或者Acr+-Mes ClO4-作為光敏劑，用到10 mol%的K2HPO4作鹼，最高產率可達96%。受此反應的啟發，作者從底物1a出發，經一鍋兩步反應可以得到苯酚類底物3和4，且產率良好。

圖 1 光催化下的芳基從醚到羧酸的遷移

該芳基遷移的過程如圖2所示，底物1a在催化量鹼的作用下和可見光催化下，先形成芳基羧酸根的自由基A，然後經過渡態B發生芳基遷移，生成產物2a，該反應的動力在於產物中芳基氧之間的碳氧鍵鍵能更大（87-93 kcal/mol vs 78.8 kcal/mol）。

圖 2 反應的可能途徑

對反應條件篩選後，作者發現在Acr+-Mes ClO4-或者PDI (1 mol%)作光敏劑，K2HPO4(10 mol%)作鹼， 藍色發光二極體（blue LED）照射下，CH3CN中反應，能給出最佳的結果。接著是對底物的擴展，如圖3所示，底物1在標準條件下反應，30幾個底物都取得良好到優秀的產率，底物中兩個苯環上的取代基可以是烷基、烷氧基、鹵素、酯基、醛基、氰基等，可以看出，當苯環上間位取代基R1為吸電子基時，延長反應時間也可以取得良好的產率。當間位R1為氰基時，用Acr+-Mes ClO4-代替PDI作光敏劑，產率從38%提高到了86%（2y）。

圖 3 底物擴展

圖4則顯示了該芳基遷移反應的克級規模製備，底物1a在5 mmol的規模下仍能以89%的產率得到產物2a。從商業可得的原料1k出發，在優化好的條件下發生芳基遷移並乙醯基保護酚羥基，1.221 g規模製備也能以兩步92%的產率得到產物呱西替柳guacetisal (5),這是用於治療呼吸道系統炎症的藥物，而傳統的方法需要用到有毒的試劑如SOCl2和POCl3等。

圖 4 克級規模製備

為了研究反應機理，作者也進行了一系列的控制實驗，首先，確定了當底物1a反應時，只有PDI可以作為光敏劑，接著，當體系中加入TEMPO或者BHT等自由基清除劑時，反應產率明顯下降，小於5%。當通過規律地定時開關光源時，可以發現，沒有光源照射時，反應產率基本沒有增加（圖5a）。而通過對於PDI激發態淬滅過程的研究，發現底物1a中羧酸或者產生的羧基負離子都可以淬滅PDI*，但羧基負離子的速率常數明顯大（圖5b）。另外，作者還對羧基負離子/羧基自由基的氧化電勢EPhOPhCO2./PhOPhCO2-= +1.90 V和光敏劑PDI還原電勢EPDI*/PDI-.=-0.49 V等進行了比較研究。

圖 5 對照實驗

綜合以上信息，作者提出了可能的反應機理，如圖6所示，光敏劑PDI在光照射下形成激發態PDI*，與此同時，底物1a經鹼攫氫形成羧基負離子C，C和PDI*經單電子過程形成羧基自由基A和PDI-.，A經逆Smiles重排得到B進而得到D，PDI-.再和D在質子存在下經單電子過程形成產物2a,同時再生PDI進行新的循環。

圖 7 反應可能的機理

總結：曹小平教授課題組報道了鄰羥基苯甲酸類底物形成的芳基芳基醚，在可見光促進下，經歷逆Smiles重排反應，芳基從酚羥基上遷移到羧基上的新方法，並且研究了反應機理。該方法條件溫和，底物適用性廣泛，產率優良，不需要過渡金屬、也不需要當量的氧化劑和鹼，非常高效地切斷了一根碳氧鍵，並且一鍋兩步反應可以得到兩個酚類化合物，還可以實現克級規模的製備，可用於藥物研發和材料的合成。

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