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林松课题组Nat. Chem.:利用光活化的高价碘试剂实现脂肪族C-H官能团化

来源:化学加原创      2025-03-31
导读:脂肪族C-H键的官能团化是合成和转化与医药、农业和材料化学相关的复杂分子的关键步骤。因此,开发能够实现脂肪族C-H键的通用合成策略引起了化学家们的广泛关注。近日,美国康奈尔大学(Cornell University)林松课题组报道了一种高价碘试剂,该试剂可以在温和的光化学条件下释放出强效的氢原子攫取剂并用于C-H键活化。利用该试剂,作者展示了脂肪族C-H键的选择性(N-苯基四唑)硫化反应,且适用于多种不同底物。此外,硫化产物的合成实用性通过各种衍生化反应得以展示。通过简单地改变自由基捕获试剂,此方法可以直接将C-H键转化为多种官能团,包括构建C-S、C-Cl、C-Br、C-I、C-O、C-N、C-C和C=C键。相关成果发表在Nat. Chem.上,文章链接DOI:10.1038/s41557-025-01749-4。
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(图片来源:Nat. Chem.

正文

将惰性脂肪族C-H键直接转化为有用的官能团是一种理想的合成策略,其可用于利用简单易得的起始原料合成药物、农用化学品及其它功能分子。特别是在药物发现领域,对类药分子进行后期多样化修饰,能够从现有化合物库中衍生出广泛的化学多样性,从而避免耗时的新合成过程。然而,在缺乏导向基团的情况下,复杂环境中较强的脂肪族C-H键的位点选择性官能团化仍然具有很大的挑战性。因此,迫切需要创新的解决方案来充分释放C-H键的合成潜力。欢迎下载化学加APP到手机桌面,合成化学产业资源聚合服务平台。

在依赖于氢原子转移(HAT)的C(sp3)-H键官能团化方面,目前已经取得了显著的进展。这些方法分别实现了特定类型的转化,包括氧化、胺化、卤化和硫化。然而,开发适用于多种C-H官能团化反应的模块化合成方法仍然具有很高的需求。近日,美国康奈尔大学林松课题组报道了一种高价碘试剂PIMS(phenyliodine(III)bis(hexamethyldisilazide)的合成与表征。该试剂在可见光照射下可以生成无害的碘苯和两当量的HMDS•自由基。此外,作者进一步证明了该试剂能够在简单温和的反应条件下实现C-H键的多样官能团化(Fig. 1)。
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(图片来源:Nat. Chem.

PIMS试剂利用市售的双(三甲基硅基)氨基锂和[双(三氟乙酰氧基)碘]苯合成,其可以在多克规模上制备。通过单晶X-射线单晶衍射分析,PIMS显示出碘中心呈T形几何结构,N–I–N键角为179.08(5)°,N–I–C键角范围为90.08(6)°至90.81(6)°。I–N键距离分别为2.2069(13) Å和2.1953(13) Å,均长于原子共价半径之和(2.10 Å)。DFT计算预测I–N键的平均键能为20 kcal mol1,表明这些键易于发生均裂。差示扫描量热分析显示,PIMS在82.6 °C熔化并随后降解为碘苯。PIMS的紫外-可见光谱在紫外区域显示出吸收特征,其尾部延伸至可见光范围。

首先,作者以1作为硫化试剂,环十二烷2作为模板底物对C-H活化反应进行探索(Table 1)。经过一系列条件筛选, 作者发现当使用1(1.0 equiv),2(10.0 equiv),PIMS(1.0 equiv),在三氟甲苯中440 nm光照下室温反应18小时,能够以80%的产率得到相应的C-H硫化产物。控制实验表明在没有PIMS存在以及光照时反应效率大大降低。在得到了最优反应条件后,作者对此转化的底物范围进行了考察。一系列不同取代的单环烷烃、直链烷烃、双环烷烃、硅烷、芳香族化合物以及杂环化合物等均可顺利实现转化,以15-82%的产率得到相应的硫化产物3-30。一系列不同的官能团如卤素、邻苯二甲酰亚胺、硝基、腈基和酯基等均可兼容。

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(图片来源:Nat. Chem.

随后,作者对实验方案进行了改进,以实现更复杂底物的官能团化(Table 2)。一系列天然产物和药物相关分子,如脱氢松香酸甲酯(31)、八氢吡咯并[3,4-c]吡咯(32)、脯氨酸衍生的酰胺(33)、氮杂环丁烷(34)、噁唑烷酮(35)、双环吗啉(36)和(-)-ambroxide(37),均在苄位或α-杂原子取代位点上展现出高区域选择性并得到相应的产物31-37(26-72%)。此外,该方法适用于糖类衍生物的官能团化,包括保护的β-d-吡喃果糖(38)和达格列净四乙酸酯(39)。此外,作者还发现当使用仅含有非未活化C-H键的环己烷(3)和(+)-长叶烯(40)反应时,虽然产率中等,但区域选择性和立体选择性较高。此外,该策略还可以实现烯丙基C-H键硫化,反应在无需PIMS存在的条件下即可进行,且适用于多种复杂天然产物和药物分子(Table 3)。遗憾的是,此方法对非环烯烃和茚不适用。

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(图片来源:Nat. Chem.

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(图片来源:Nat. Chem.

为了证明硫化产物的实用性,作者将产物的SPT部分通过亲核取代、氧化、脱保护等反应进行了多样化衍生。当SPT中的硫醚氧化为砜后,可通过Julia-Kocienski烯基化、取代反应和镍催化交叉偶联等反应实现转化(Fig. 2)。

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(图片来源:Nat. Chem.

值得注意的是,通过对自由基捕获剂(RTA)的改变,作者利用PIMS还可实现多种不同类型的C-H键官能团化反应(如C-H卤化、叠氮化、氰化、烯基化、炔基化)等。重要的是,该方法与以往报道的方法有所不同,其氢原子攫取剂的生成与自由基捕获步骤完全分离。因此,原则上RTA的选择范围更广,因为无需考虑其是否能够周转光催化剂、金属催化剂或维持自由基链,这与之前的相关报道不同。此外,作者还能利用钴催化反应策略来实现环烷烃的脱氢来合成烯烃(Fig. 3)。此外,作者通过研究发现,当使用不同结构的高价碘试剂,如PITO、PIMS和PIPS时,可以实现区域发散的C-H官能团化过程(Fig. 4)。

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(图片来源:Nat. Chem.

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(图片来源:Nat. Chem.


总结

林松课题组开发了一种高价碘试剂PIMS,其可用于在温和条件下实现C-H键的多样官能团化。使用SPT-SPT进行的硫化反应对含有惰性和活化的脂肪族C-H键的烃类效果良好,适用于复杂药物分子和天然产物的后期修饰。此方法可用于多种C-H键的官能团化,如C-SC-ClC-BrC-IC-OC-NC-CC=C键的构建。

文献详情:

Light-activated hypervalent iodine agents enable diverse aliphatic C–H functionalization. 
Zhipeng Lu, John Putziger, Song Lin*. 
NatChem., 2025
https://doi.org/10.1038/s41557-025-01749-4.
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