碳-碳键是有机化合物中最丰富和最重要的化学键之一。因此，探索发展有效构建C-C 键的方法是合成化学和相关领域长期关注的研究方向。与传统偶联反应相比，交叉脱氢偶联 (CDC)通过两个不同惰性 C-H 键的直接功能化是构建 C-C 键的最理想的方式之一（图 1a）。2012年，Rovis课题组报道了卡宾活化醛与饱和C_Sp3-H键的偶联，该反应经历了氧化脱氢和亲核加成的离子途径（图1b）。如何通过卡宾催化的自由基路径来实现分子间的交叉脱氢偶联 (CDC) 来构建C_Sp2– C_Sp2键是一项长期的挑战（图1c）。

近日，南方科技大学舒伟课题组一直致力于可见光和卡宾协同催化领域的研究和探索。课题组在前期工作基础上(ACS Catal. 2020, 10, 12960-12966)，报道了可见光和卡宾协同催化醛和烯烃的双C-H交叉偶联反应。该方法首次通过双催化接力策略，在室温条件下通过分子间惰性C-H键的直接官能团化，实现了C_Sp2– C_Sp2的快速构建。该成果近期发表于美国化学会期刊ACS Catalysis。

▲图1. 醛和烯烃的交叉脱氢偶联 (CDC)方法及反应设计

首先，作者使用对甲基苯甲醛1a和对甲氧基苯乙烯2a作为模板底物，对反应条件进行筛选（表1）。在对反应条件进行了系统优化之后，最终确定以2 mol%的光敏剂Ru(bpy)₃Cl₂·6H₂O和10 mol%的NHC（氮杂环卡宾）作为催化剂、K₂CO₃（1 equiv）作碱、TTBDPB（1.9 equiv）做为氧化剂、PhSO₂Na（1.9 equiv）做为活化媒介，DMSO（0.1 M）为溶剂，30 瓦蓝光照射条件为标准反应条件。在该条件下，以81%的分离收率得到醛和烯烃的交叉脱氢偶联产物3a（表1，entry 1）。

表1. 醛和烯烃交叉脱氢偶联 (CDC)的反应条件考察

接下来，作者对该反应的底物普适性进行了探索（图2）。该反应具有优秀的底物普适性和官能团兼容性。该反应能够兼容多种官能团取代的醛，包括氟、氯、溴、硫醚、酯基、炔烃、烯烃、酰胺等，以及各种芳香杂环，如呋喃、噻吩、吡啶、喹啉等（图2, 3b-3w）。同时，该反应也兼容各种官能团化烯烃。各种取代的苯乙烯以及杂环芳香乙烯都能顺利发生交叉脱氢偶联反应（图2, 4a-4u）。

▲图2. 醛和烯烃交叉脱氢偶联的底物普适性研究。

接下来，作者设计了一系列实验来探索反应机理（图3）。首先，1a和自由基钟实验底物6在标准反应条件下，得到三元环开环的产物7和8（图3a），该实验说明反应中磺酰基对烯烃的加成很可能经历了自由基途径。另外，对反应过程进行跟踪发现，反应有中间体生成。当反应进行40分钟时，可以分离得到反应中间体9（图 3b）。同时，在标准条件下，中间体9可以与醛1a反应得到目标产物3a以及醌的还原产物10（图 3c）。接下来，以1a和2a为原料进行光-暗实验，结果表明该反应经历光催化的自由基历程，而不是自由基链式途径（图3d）。然后，作者又进行了一系列荧光淬灭实验，结果显示PhSO₂Na对光敏剂淬灭效果最强，其次是K₂CO₃、卡宾和原料1a的混合物（图3e）。

▲图3. 反应的机理研究

根据机理实验结果和文献，作者提出了该反应的可能机理（图4）。首先，PhSO₂Na被处于激发状态的光催化剂Ru(II)*单电子氧化形成苯亚磺酰自由基中间体M1和还原的光催化剂Ru(I)，还原态的光催化剂Ru(I)通过单电子还原TTBDPB得到（TTBDPB^·-）自由基M2并再生光催化剂Ru(II)。苯亚磺酰自由基中间体M1与2发生自由基加成生成中间体M3，M2和M3发生自由基偶联并发生质子化生成M4。在碱性条件下，醛1与氮杂环卡宾催化剂（NHC）缩合，生成相应的Breslow中间体M5，该中间体可以被处于激发状态的光催化剂（Ru(II)*）单电子氧化形成阳离子自由基中间体M6和还原的光催化剂Ru(I)。M4可以单电子氧化Ru(I)生成M3和10，并再生光催化剂Ru(II)。M3和M6自由基偶联生成M7，M7脱去NHC得到M8。在碱性条件下M8发生消除反应生成目标产物。

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▲图4. 反应机理

综上，舒伟课题组建立了可见光和氮杂环卡宾协同催化的醛和烯烃经历光催化接力的途径实现交叉脱氢偶联反应。该反应对醛和烯烃都具有优秀的官能团兼容性。二苯醌（TTBDPB）的使用对于该反应至关重要，它在反应中扮演着双重角色，既作为电子受体，又作为自由基偶联的自由基储存器。这一成果近期发表在ACS Catalysis  (2021, 11, 9715-9721)。论文实验部分由南方科技大学化学系博士后刘明上博士、闵林博士和硕士生陈碧红完成，通讯作者为南方科技大学化学系舒伟副教授。该工作得到了国家自然科学基金、广东基础与应用基础研究基金、珠江人才计划和广东省催化重点实验室的大力支持。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c02890