通訊作者單位：中國(guó)科學(xué)院大連化物所CO是多功能的C1化學(xué)品，CO的活化和轉(zhuǎn)化受到了廣泛關(guān)注。通常人們主要關(guān)注于發(fā)展的催化體系是首先活化CO，隨后使用酰基中間體和親核試劑捕獲活化的CO，實(shí)現(xiàn)羰基化。有鑒于此，中國(guó)科學(xué)院大連化物所吳小鋒研究員等發(fā)展了新型CO轉(zhuǎn)化方法學(xué)，這種方法使用可見光引發(fā)羰基化的自由基接力重排反應(yīng)，該反應(yīng)的CO插入步驟是官能團(tuán)遷移反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。羰基官能團(tuán)插入碳自由基的過(guò)程實(shí)現(xiàn)了雜芳基的自由基轉(zhuǎn)移，而且轉(zhuǎn)移的自由基能夠讓碳自由基更有效的捕獲CO。通過(guò)這種合成方法成功在溫和反應(yīng)條件下合成一系列含有氟烷和雜環(huán)結(jié)構(gòu)的1,4-雙羰基化合物，而且生成的1,4-雙羰基化合物能夠轉(zhuǎn)化為雜環(huán)芳烴的聯(lián)芳基化合物，從而說(shuō)明該反應(yīng)平臺(tái)的前景。吳小鋒，中國(guó)科學(xué)院大連化物所研究員。2009年畢業(yè)于法國(guó)雷恩第一大學(xué)，獲碩士學(xué)位；2012年畢業(yè)于德國(guó)羅斯托克大學(xué)-萊布尼茲催化研究所，獲得自然科學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后留所開展獨(dú)立研究，2017年完成法國(guó)雷恩第一大學(xué)的Habilitation，獲得教授資格。2020年加入大連化物所，擔(dān)任催化羰基化研究組組長(zhǎng)。吳小鋒長(zhǎng)期致力于一氧化碳等小分子的轉(zhuǎn)化反應(yīng)研究，主要集中在廉價(jià)金屬催化的羰基化轉(zhuǎn)化、羰基化環(huán)化反應(yīng)、新型羰源的開發(fā)等方面。研究方向：（1）一氧化碳向精細(xì)化學(xué)品的高效轉(zhuǎn)化；（2）生物質(zhì)能源向一氧化碳的轉(zhuǎn)化；（3）小分子的活化；（4）聚合物的定向降解。在Angew. Chem., JACS, Chem等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文550余篇，文章被引頻次17000余次，h指數(shù)65，出版編著10余本專著，入選2022“中國(guó)高被引學(xué)者年度榜單”，2023年全球前2%頂尖科學(xué)家榜單，2024年入選英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士（FRSC）。作者設(shè)計(jì)嘗試將羰基化和重排反應(yīng)結(jié)合的方法學(xué)。羰基化和重排反應(yīng)的結(jié)合具有一系列優(yōu)勢(shì)：CO引入碳鏈能夠拓展CO官能團(tuán)化方法學(xué)的應(yīng)用，提供更加豐富的羰基化反應(yīng)模型；通過(guò)雜芳基官能團(tuán)的轉(zhuǎn)移能夠?qū)⑦h(yuǎn)離反應(yīng)位點(diǎn)的芳基/雜芳基轉(zhuǎn)移到羰基位點(diǎn)；使用CO提供羰基，能夠在溫和的反應(yīng)條件合成含有氟烷基、雜環(huán)結(jié)構(gòu)的1,4-雙羰基化合物（傳統(tǒng)的自由基羰基化反應(yīng)需要更加苛刻的反應(yīng)條件），而且產(chǎn)物能夠轉(zhuǎn)化為聯(lián)芳基化合物。作者認(rèn)為芳基/雜芳基官能團(tuán)的1,4-轉(zhuǎn)移并且進(jìn)行增加碳鏈長(zhǎng)度需要克服多個(gè)挑戰(zhàn)。首先除了碳中心自由基與CO氣體羰基化，γ-OH碳中心自由基可能發(fā)生β-切斷反應(yīng)，生成熱力學(xué)穩(wěn)定的α-OH碳中心自由基；其次，羰基化形成的酰基自由基能夠與烯丙醇的芳基均裂取代基反應(yīng)生成苯并環(huán)己酮；此外，酰基自由基中間體能夠氧化或者分子內(nèi)環(huán)化生成γ-環(huán)內(nèi)酯，產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性的反應(yīng)路徑。基于這些挑戰(zhàn)和困難，設(shè)計(jì)了可見光催化自由基接力羰基化-芳基/雜芳基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。通過(guò)CO的自由基接力羰基化，實(shí)現(xiàn)碳鏈增長(zhǎng)。這種選擇性CO插入反應(yīng)有助于官能團(tuán)的遷移，而且官能團(tuán)的轉(zhuǎn)移同時(shí)促進(jìn)CO被碳自由基捕獲。作者設(shè)計(jì)了含有烯丙基和苯并噻唑的三級(jí)有機(jī)醇作為反應(yīng)物（苯并噻唑能夠作為自由基重排反應(yīng)的遷移官能團(tuán)，烯丙基取代基的三級(jí)醇無(wú)法進(jìn)行1,3-遷移）。使用Togni II試劑用于提供CF3，在可見光和40 bar CO中進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)果顯示，反應(yīng)能夠按照設(shè)計(jì)的過(guò)程進(jìn)行。隨后經(jīng)過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件，得到最好的反應(yīng)條件，其中1倍量的三級(jí)醇1a和4CzlPN (2 mol %)，加入1.5倍量Togni試劑II，乙腈作為溶劑，在室溫下進(jìn)行光催化。作者發(fā)現(xiàn)常用的Ru和Ir光催化劑雖然能夠驅(qū)動(dòng)該反應(yīng)，但是只能得到中等產(chǎn)率。而且，反應(yīng)需要比較高的CO，當(dāng)CO的壓力從40 bar降低至20 bar，2a的產(chǎn)率降低至51 %。反應(yīng)在沒有光催化劑或者沒有光照射的情況下無(wú)法進(jìn)行。該反應(yīng)能夠適用于放大量的合成條件。而且，當(dāng)使用含有氰基的原料，能夠生成含有氰基的化合物。反應(yīng)能夠?qū)ι锘钚曰衔镞M(jìn)行修飾。該反應(yīng)能夠?qū)⒁幌盗?/span>α-溴-α,α-二氟酰胺（生物活性化合物）轉(zhuǎn)化為含氟的1,4-雙羰基化合物。這些化合物的合成說(shuō)明，這種合成方法在有機(jī)合成的CO羰基化的前景。通過(guò)一系列動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和位點(diǎn)選擇性實(shí)驗(yàn)研究反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)競(jìng)爭(zhēng)路徑和反應(yīng)的位點(diǎn)選擇性。在優(yōu)化的反應(yīng)條件，雙高烯丙基醇（1ay）和烯丙醇（1az）的反應(yīng)結(jié)果顯示沒有CO插入的遷移是主要的過(guò)程。這個(gè)現(xiàn)象是因?yàn)槲逶h(huán)/三元環(huán)過(guò)渡態(tài)有助于遷移反應(yīng)。當(dāng)1a、雙烯丙基醇、Togni II試劑以1:1:1的比例反應(yīng)，2a產(chǎn)物的產(chǎn)率為48 %。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明羰基化1,4-遷移反應(yīng)的速率比1,4-直接遷移反應(yīng)的速率更快。在1a分子中引入甲基官能團(tuán)，1ba在優(yōu)化條件反應(yīng)時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)遷移產(chǎn)物，但是生成切斷β-化學(xué)鍵的產(chǎn)物12。在分子的烯烴位置加入甲基，能夠提高三級(jí)碳自由基的穩(wěn)定性，但是導(dǎo)致更高的立體位阻，影響捕獲CO。結(jié)果顯示，二級(jí)碳自由基捕獲CO的動(dòng)力學(xué)比切斷β-化學(xué)鍵的反應(yīng)速率更快，但是三級(jí)碳自由基物種的情況與之恰好相反，三級(jí)碳自由基捕獲CO的速率比切斷β-化學(xué)鍵的速率更慢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明相比于立體位阻效應(yīng)更高的b位點(diǎn)，在立體位阻較弱的a位點(diǎn)容易發(fā)生反應(yīng)，并且能夠生成穩(wěn)定的三級(jí)碳自由基。與優(yōu)化的反應(yīng)條件生成2a相比，作者認(rèn)為當(dāng)體系沒有CO，無(wú)法發(fā)生苯并噻唑遷移的產(chǎn)物，而是通過(guò)Cα-Cβ切斷反應(yīng)生成12。作者分析不同CO的12和12a產(chǎn)物，說(shuō)明合適的CO壓力能夠使得CO捕獲并發(fā)生自由基轉(zhuǎn)移。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明捕獲CO自由基反應(yīng)步驟是反應(yīng)的決速步。提出反應(yīng)機(jī)理過(guò)程。當(dāng)光催化存在時(shí)，可見光導(dǎo)致產(chǎn)生三氟甲基自由基，隨后與1a烯烴生成二級(jí)碳自由基I。在CO氣氛中，γ-OH碳自由基I能夠捕獲CO生成酰基自由基中間體II。隨后，插入CO的II中間體發(fā)生分子內(nèi)成環(huán)反應(yīng)生成III。III通過(guò)芳基化促進(jìn)切斷C-C化學(xué)鍵并且導(dǎo)致苯并噻唑遷移，生成穩(wěn)定性更好的α-OH碳中心自由基IV。最終，高價(jià)態(tài)光催化劑將IV氧化和脫質(zhì)子生成2a產(chǎn)物。DFT理論計(jì)算結(jié)果能夠支持反應(yīng)機(jī)理。1,4-二羰基結(jié)構(gòu)在生物活性天然產(chǎn)物或者藥物分子中并不是常見的結(jié)構(gòu)，但是1,4-二羰基結(jié)構(gòu)是合成含有N、O、S雜環(huán)結(jié)構(gòu)的重要反應(yīng)物。作者發(fā)現(xiàn)可見光催化生成的含有氟烷基和雜環(huán)的化合物能夠轉(zhuǎn)化為含有雜芳基的聯(lián)芳基化合物，這些產(chǎn)物有可能應(yīng)用于配體、液晶、藥物。Wang, Y., Yang, H., Zheng, Y.et al. Carbon monoxide enabling synergistic carbonylation and (hetero)aryl migration. Nat Catal (2024).DOI: 10.1038/s41929-024-01204-6https://www.nature.com/articles/s41929-024-01204-6
