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碳陽離子是有機(jī)合成中有價(jià)值的反應(yīng)物種。它們是反應(yīng)中的關(guān)鍵中間體，如S_N1取代、Wagner-Meerwein遷移、Friedel-Crafts烷基化和多烯環(huán)化等。在溫和條件下精確控制陽離子反應(yīng)性有利于開發(fā)新的反應(yīng)，特別是對(duì)映和非對(duì)映選擇性的控制。例如，基于squaramides、硫脲以及手性磷酸和羧酸的催化劑的設(shè)計(jì)。最近，光氧化還原催化已成為一種生成自由基并影響其氧化為具有相應(yīng)反應(yīng)性陽離子的簡便方法。近日，Erick M. Carreira課題組開發(fā)了一種光與鈷催化非活化烯丙醇的半頻哪醇重排反應(yīng)（Figure 1）。其中，該反應(yīng)以苯并噻嗪并喹喔啉作為光催化劑、Co-salen作為金屬催化劑和Lut-HOTf作為堿，并與使用Br?nsted酸的體系具有互補(bǔ)的反應(yīng)性。同時(shí)，該反應(yīng)無需使用化學(xué)計(jì)量的還原劑或氧化劑，具有高度的原子經(jīng)濟(jì)性。化學(xué)加——科學(xué)家創(chuàng)業(yè)合伙人，歡迎下載化學(xué)加APP關(guān)注。

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

傳統(tǒng)上，陽離子半頻哪醇重排常使用Br?nsted或Lewis酸。1980年，Wasserman課題組（J. Org. Chem. 1980, 45, 2874.）開發(fā)了一種烯丙醇在HBr、H₂SO₄或HClO₄條件下合成環(huán)丁酮的方法（Figure 2）。2023年，Jacobsen課題組（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 15036.）使用手性脲和干燥的HCl來影響乙烯基環(huán)丙醇的轉(zhuǎn)化，合成了對(duì)映體富集的α,α-二取代的環(huán)丁酮。此外，在一項(xiàng)關(guān)于HAT化學(xué)的研究中，Pronin課題組（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 16982.）發(fā)現(xiàn)，在Co-salen以及過量的PhSiH₂Me和N-fluorocollidinium triflate存在下，烯丙醇可以進(jìn)行擴(kuò)環(huán)，生成環(huán)烷酮衍生物。這些經(jīng)典的HAT條件下，使用化學(xué)計(jì)量還原劑（硅烷）和氧化劑（[F⁺]），可實(shí)現(xiàn)[Co]-催化劑在不同氧化態(tài)之間的穿梭。最近，Carreira（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202319515.）與Ohmiya課題組（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 7953.）分別報(bào)道了非活化烯烴的環(huán)異構(gòu)化和加氫醚化反應(yīng)。此類反應(yīng)通過對(duì)烯烴的氫加成，然后氧化成陽離子中間體來進(jìn)行。并且，使用關(guān)鍵的光催化劑、鈷催化劑和氫三氟甲磺酸鹽（hydrotriflate salt），消除了對(duì)化學(xué)計(jì)量氧化劑/還原劑的需求。

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

首先，作者以烯丙醇衍生物1a作為模型底物，進(jìn)行了相關(guān)反應(yīng)條件的篩選（Table 1）。當(dāng)以PC（1 mol %）作為光催化劑，Co-1（0.5 mol %）作為金屬催化劑，Lut-HOTf（10 mol %）作為添加劑，藍(lán)色LEDs作為光源，在CH₂Cl₂溶劑中40 ^oC反應(yīng)24 h，可以85%的收率得到α-甲基化酮產(chǎn)物2a。

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

在獲得上述最佳反應(yīng)條件后，作者對(duì)底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展（Figure 3）。首先，當(dāng)?shù)孜镏械?/span>R²為金剛烷基、三甲基、環(huán)烷基、游離羥基、不同電性取代的芳基、萘基等時(shí)，均可順利反應(yīng)，獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2a-2k，收率為54-87%。同時(shí)，該方法還可進(jìn)行雙重半頻哪醇重排反應(yīng)，可以76%的收率得到產(chǎn)物2l，dr為1:1。該反應(yīng)還可用于擴(kuò)環(huán)，可以44%的收率得到產(chǎn)物2m。其次，當(dāng)?shù)孜镏械?/span>R¹為各種烷基、環(huán)烷基以及不同電性取代的芳基時(shí)，也能夠順利進(jìn)行反應(yīng)，獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2n-2z，收率為60-87%。此外，該策略還可用于藥物分子的后期衍生化，如酮洛芬和非諾貝特，獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2aa（收率為68%）和2ab（收率為76%，dr為1:1，rr為1:1）。

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

緊接著，作者對(duì)二級(jí)烯丙醇的底物范圍進(jìn)行了研究（Figure 4）。研究表明，當(dāng)使用3a或3b作為底物，可獲得兩種不同重排產(chǎn)物且不可分離的混合物4a（收率為77%，rr為1.7:1）和4b（收率為72%，rr為1:4.6）。其中，1,2-氫轉(zhuǎn)移優(yōu)先于非取代芳烴的遷移（4a）。同時(shí)，遷移芳烴的電子差異影響其遷移能力（4b）。

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

此外，作者還對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的研究（Figure 5）。自由基抑制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)涉及自由基的機(jī)理。氘代實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，醇是HAT步驟中轉(zhuǎn)移的質(zhì)子源。基于上述的研究以及相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，作者提出了一種合理的催化循環(huán)過程。首先，[Co^II]-salen催化劑Co-1被激發(fā)態(tài)光催化劑PC*還原，生成陰離子[Co^I]-配合物，并且可逆質(zhì)子化生成共軛酸[Co^III]-H。隨后，[Co^III]-H與非活化的烯烴進(jìn)行HAT，生成更穩(wěn)定的二級(jí)[Co^III]-烷基配合物。二級(jí)[Co^III]-烷基配合物被PC^·+氧化，生成[Co^IV]-烷基配合物，該配合物與游離碳陽離子平衡。最后，在堿介導(dǎo)下，[Co^IV]-烷基配合物進(jìn)行半頻哪醇重排，生成目標(biāo)產(chǎn)物并再生[Co^II]-salen催化劑Co-1，已完成催化循環(huán)的過程。

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

同時(shí)，作者還通過控制實(shí)驗(yàn)對(duì)Br?nsted酸催化反應(yīng)的差異性進(jìn)行了研究（Figure 6）。研究結(jié)果表明，當(dāng)使用Br?nsted酸時(shí)，質(zhì)子化有兩種選擇。當(dāng)質(zhì)子化發(fā)生在醇上時(shí)，反應(yīng)是快速的，生成氧鎓離子，其經(jīng)脫水后生成烯丙基陽離子（路徑a）。當(dāng)質(zhì)子化發(fā)生在烯烴上時(shí)，反應(yīng)速度慢，生成三級(jí)陽離子（路徑b）。相反，HAT化學(xué)能夠提供具有不同反應(yīng)性的額外途徑來產(chǎn)生碳陽離子（路徑c）。

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）