【有机】可见光直接激发的手性八面体铑催化体系

Meggers课题组进一步扩展了这类唯中心金属手性络合物的催化活性，利用单一的手性八面体铑催化剂，实现了可见光对底物络合的铑中间体直接激发活化，激发态的中间体和烯烃直接发生[2+2]环加成反应，高立体选择性地构建环丁烷类化合物。

Sat Jul 29 00:00:00 CST 2017 X一MOL资讯

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利用可见光激发的催化不对称反应构建手性分子符合绿色化学和可持续发展的要求，是有机化学的一大热门领域。目前这一领域主要采取两类策略：双催化剂体系和单一催化剂体系。前者需要手性催化剂来提供手性环境以及额外的光催化剂引发光氧化还原或能量转移的过程。相对而言，只利用一种催化剂，在吸收可见光的同时控制反应的立体选择性的方法更加具有挑战性。亚琛工大的Bach教授、ICIQ的Melchiorre教授、马尔堡大学的Meggers教授以及国内的肖文精教授和罗三中教授等，在利用单一催化剂实现不对称光反应领域做出了突出的贡献。

Meggers课题组利用唯中心金属手性络合物，基于可见光诱导的氧化还原过程发展了一系列新颖的转化。这些工作中，手性中心的构建步骤，大部分都是在相关中间体处于基态下发生的。另一方面，通过光激发的方式很容易获得激发态中间体，与此同时，这些中间体具有独特的反应活性。然而，这种激发态的半衰期极短，很难利用外加的手性催化剂实现有效的立体诱导。近日，Meggers课题组进一步扩展了这类唯中心金属手性络合物的催化活性，利用单一的手性八面体铑催化剂，实现了可见光对底物络合的铑中间体直接激发活化，激发态的中间体和烯烃直接发生[2+2]环加成反应，高立体选择性地构建环丁烷类化合物（图1）。这一工作近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，并受到Science 杂志的highlight评述。

图1. 可见光直接激发的手性八面体铑催化体系。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

如图2所示，在蓝色LED灯的激发下，烯酮1a和二烯2a可以顺利地发生[2+2]反应，生成环丁烷3a。遗憾的是，作者利用单一的Δ-IrS作为催化剂，并不能得到任何对映选择性的产物（entry 1）。当利用Δ-RhS作为催化剂时，反应能以97%的分离收率，14：1的非对映选择性和99%的对映异构体选择性得到目标产物（entry 2）。催化剂的用量可以降低至0.5 mol%（entry 3），反应不需要严格控制无水无氧条件（entries 4-5），同时溶剂对反应的影响较小（entries 6-7），凸显了该体系的普适性和简洁高效性。控制实验证实光是必要条件（entry 8），而没有Lewis酸催化剂参与反应时会发生一定的背景反应（entry 9）。

图2. 可见光激发下单一催化剂催化的不对称[2+2]环加成反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

随后作者对底物的普适性进行了考察（图3），一系列β芳基的不同位置具有不同种类取代基的底物都能取得不错的反应效果。2-咪唑基、2-吡啶基和N-吡唑基都可以用作辅基。除了二烯化合物，烯烃部分可以进一步扩展到烯炔、烯基醚和各种苯乙烯衍生物。该方法能够一步高立体选择性地构建含三个手性碳，其中两个为连续全碳季碳的环丁烷类化合物。然而，α, β-不饱和化合物的β位为烷基取代，并不能得到目标化合物。

图3. 代表性的底物拓展。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

基于前人的工作和该课题组前期的研究，他们提出了三线态的机理（图4a）。首先，底物和手性八面体催化剂可以迅速配位，生成中间体I。该中间体相比于游离的底物，在可见光区具有显著增强的吸收（图4b）。作为该体系真正的吸光物种，中间体I可以被可见光直接激发，再经过快速的系间窜越（ISC），生成三线态中间体III。中间体III直接和烯烃反应，经过双自由基中间体IV和ISC，生成产物配位的铑中间体V。产物解离和后续的底物配位，引发下一个催化循环。

通过循环伏安法，他们发现1a络合RhS的中间体（RhS-1a, E^[Rh]+/[Rh]*=−0.78 V, E^[Rh]*/[Rh]¯= +0.88 V vs Fc/Fc⁺）并不能有效地还原或氧化苯乙烯（E_p^red= −2.91 V vs Ag/Ag⁺; E_1/2^ox=+2.05 V vs SCE)，从而排除了氧化还原的过程。此外，多种机理实验进一步支持三线态的机理。第一，理论计算表明三线态RhS-1a的自旋电子主要分布在不饱和双键上，符合实验的区域选择性（图4c）。第二，中间体RhS-1a在光照条件下可以催化单线态氧的生成，证实了三线态中间体III的存在（图4d）。第三，其他已知的三线态光敏剂也可以催化该转化过程，生成外消旋产物（图4e）。第四，E 和Z 构型的底物在标准条件下，能分别以相似的反应收率得到同一构型的产物，暗示了双自由基中间体IV的存在（图4f）。

图4. 可能的反应机理及机理研究。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

——小结——

Meggers教授课题组报道了一例新颖的催化不对称光反应，其中手性八面体铑催化剂和α, β-不饱和羰基化合物络合的中间体可以直接被可见光激发，同时该激发态能高立体选择性地直接和烯烃底物发生[2+2]环加成反应。相比于Bach和Yoon等人的工作，该催化体系只需使用单一的催化剂即可高效地控制激发态中间体的立体化学，该反应条件简单温和、效果出色，具有很好的应用前景。

该论文作者：Xiaoqiang Huang, Taylor R. Quinn, Klaus Harms, Richard D. Webster, Lilu Zhang, Olaf Wiest, and Eric Meggers

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