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單個(gè)碳原子上三價(jià)化學(xué)鍵的斷裂可以生成具有自由基和卡賓反應(yīng)活性的卡拜（Fig. 1a）。且該過(guò)程可以在一次反應(yīng)操作中依次形成三根新的共價(jià)鍵，由此可以快速增加分子的復(fù)雜性。然而，由于這些極具活性的卡拜物種的產(chǎn)生和控制較為困難，因此到目前為止卡拜及其等價(jià)物的轉(zhuǎn)化過(guò)程僅取得了有限的成功。現(xiàn)存的解決策略通常依賴于使用α-重氮離子(Y⁺C(=N₂)Z;Y = I(III)，R₂S等，Z = 碳取代基)，它們天生具有形成三根化學(xué)鍵的能力（Fig. 1b）。此外，新加坡南洋理工大學(xué)劉學(xué)偉課題組報(bào)道了單取代磷葉立德經(jīng)歷光氧化還原介導(dǎo)的C-H斷裂形成葉立德自由基，其可以與烯烴進(jìn)行自由基加成，隨后與Hantzsch酯反應(yīng)生成單烷基化產(chǎn)物（Fig. 1c）。這一反應(yīng)過(guò)程證明了在光氧化還原催化下，利用磷葉立德的自由基反應(yīng)性來(lái)實(shí)現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)的效果。然而，它們潛在的卡拜反應(yīng)性，包括自由基和卡拜類型的反應(yīng)性，還未得到充分利用。最近，日本名古屋大學(xué)Kohsuke Ohmatsu和Takashi Ooi課題組發(fā)展了光催化磷葉立德的單電子氧化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了與富電子烯烴和α，β-不飽和羰基化合物的連續(xù)加成，形成了一系列官能團(tuán)化的六元碳環(huán)（Fig. 1d）。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(lái)源：Nat. Synth.）

由于磷葉立德自身會(huì)與不飽和醛發(fā)生親核加成，形成Wittig反應(yīng)產(chǎn)物或Michael加合物，因此與富電子烯烴和高活性醛(如丙烯醛)的自由基-極性交叉反應(yīng)具有一定的挑戰(zhàn)性。因此，作者選擇磷葉立德1a、叔丁基乙烯基醚和丙烯醛作為模板底物（Fig. 2）。由于1a的氧化電位為0.88 V，因此其在合適的激發(fā)態(tài)光催化劑存在下，可以很容易地通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移過(guò)程生成相應(yīng)的自由基陽(yáng)離子RC。作者認(rèn)為RC具有足夠的親電性，可以與富電子的乙烯基醚反應(yīng)，形成瞬態(tài)的親核自由基中間體Int1-RC。隨后將該自由基與丙烯醛進(jìn)行共軛加成，得到α-甲酰基自由基中間體Int2-RC。由于與飽和甘汞電極相比，該物種的還原電位通常估計(jì)為-0.70 V，因此Int2-RC可以很容易地被PC的自由基陰離子還原為烯醇Int3。最后，通過(guò)與Int3的質(zhì)子轉(zhuǎn)移以及與Int4的分子內(nèi)Wittig過(guò)程生成環(huán)加合物2a。

（圖片來(lái)源：Nat. Synth.）

隨后，作者對(duì)反應(yīng)進(jìn)行了嘗試以及條件優(yōu)化（Table 1）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)使用1a（1.0 equiv），叔丁基乙烯基醚（1.0 equiv），丙烯醛（1.0 equiv），PC（3 mol%），在乙腈中，藍(lán)光照射下，- 20 ^oC下反應(yīng)15小時(shí)，可以以82%的核磁產(chǎn)率得到環(huán)加成產(chǎn)物2a（entry 6）。

（圖片來(lái)源：Nat. Synth.）

在得到了最有反應(yīng)條件后，作者進(jìn)行了底物范圍考察（Fig. 3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一系列酯基取代的葉立德、酮和氰基取代的葉立德均可順利參與反應(yīng)，以59-84%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的環(huán)加合物2a-2g。此外，一系列不同的富電子烯烴，如烷基烯基醚、醛衍生的烯醇硅醚等均可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，以40-88%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物2h-2w。值得注意的是，不飽和羰基化合物如烯基酮、丙烯醛類似物也可作為合適的偶聯(lián)配偶體，以32-72%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物2x-2z, 2Aa-2Ac。

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為了深入理解反應(yīng)機(jī)理，作者進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)。方波伏安測(cè)量和Stern-Volmer淬滅實(shí)驗(yàn)表明，形式環(huán)加成過(guò)程是由激發(fā)態(tài)為4CzIPN與磷葉立德的單電子氧化觸發(fā)的。為了從產(chǎn)生的自由基陽(yáng)離子中更深入地了解反應(yīng)途徑，作者進(jìn)行了DFT計(jì)算。如Fig. 4所示，RC (TS1-RC)與叔丁基乙烯基醚的加成過(guò)程很容易進(jìn)行，而其通過(guò)去質(zhì)子化生成葉立德自由基作為卡拜等價(jià)物(CE)似乎在能量上是不利的，且隨后CE與叔丁基乙烯基醚的自由基加成則遇到了更高的能壘。此外，預(yù)估的pKa值表明，RC到CE的去質(zhì)子化途徑不太可能，因?yàn)?/span>RC的酸性遠(yuǎn)低于磷葉立德的共軛酸(1a·H)。隨后丙烯醛與α-氧烷基自由基(Int1-CE和Int1-RC)加成得到的α-甲酰基烷基自由基(Int2-CE和Int2-RC)在熱力學(xué)上表現(xiàn)出相似的能量過(guò)程。這兩種途徑通過(guò)單電子還原以及質(zhì)子化或質(zhì)子轉(zhuǎn)移，得到官能團(tuán)化的磷葉立德并經(jīng)歷了分子內(nèi)Wittig反應(yīng)。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，六元碳環(huán)的形成依賴于磷葉立德衍生的自由基陽(yáng)離子的連續(xù)自由基加成和連續(xù)的極性關(guān)環(huán)過(guò)程。

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最后，作者進(jìn)一步研究了一鍋法四組分偶聯(lián)反應(yīng)的可能性（Fig. 5）。將磷葉立德1a、叔丁基乙烯基醚、丙烯酸甲酯以及催化量為4CzIPN的混合物置于乙腈中，在-20 ^oC的藍(lán)光照射下組裝成相應(yīng)的雙官能團(tuán)化葉立德。隨后加入多聚甲醛并在100 ^oC下進(jìn)行微波照射，可以以72%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物3a。盡管使用其他的醛，如苯甲醛作為第四組分反應(yīng)時(shí)阻礙了其與中間體取代的葉立德化合物成鍵，但該策略可以適用于與不同的葉立德和烯烴偶聯(lián)配偶體的偶聯(lián)，說(shuō)明了此轉(zhuǎn)化在快速構(gòu)建復(fù)雜分子骨架方面的顯著特點(diǎn)，否則這些結(jié)構(gòu)很難從現(xiàn)有的起始原料中獲得。

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