分子间自由基正离子反应研究进展_郭国哲.pdf

分子间自由基正离子反应研究进展郭国哲*(陇东学院化学化工学院甘肃省陇东生物资源保护利用与生态修复重点实验室庆阳745000)*联系人，郭国哲女，博士，副教授，主要从事有机合成化学研究。E-mail:guoguozhe2008 126com甘肃省陇东生物资源保护利用与生态修复重点实验室开放基金、甘肃省优秀研究生创新之星项目、甘肃省青年基金项目(21J7M196)、甘肃省自然科学基金项目(22J5111203)和陇东学院博士基金项目(XYBYZK2224)资助2022-08-19 收稿，2022-09-20 接受摘要自由基正离子含有一个正电荷和一对未成对电子，是很多有机化学反应的重要的活性中间体。文章综述了近几年自由基正离子反应研究进展，主要包括化学氧化剂诱导的自由基正离子反应、可见光诱导的自由基正离子反应、电诱导的自由基正离子反应等方面的研究。关键词自由基正离子化学氧化剂光化学电化学ecent Advances in Intermolecular adical Cation eactionsGuo Guozhe*(College of Chemistry and Chemical Engineering，Longdong University，Gansu Key Laboratory of Protection andUtilization for Biological esources and Ecological estoration，Qingyang，745000)AbstractThe radical cation contains a positive charge and a pair of unpaired electrons，and is an importantintermediate in many organic chemical reactions This review summarizes the recent advances in radical cationreactions，including chemical oxidant initiated radical cation reactions，visible light initiated radical cation reactions，electrochemically initiated radical cation reactions and so onKeywordsadical cation，Chemical oxidant，Photochemistry，Electrochemistry自由基正离子含有一个正电荷和一对未成对电子，是常见有机化学反应的重要的活性中间体，因此受到有机化学家的广泛关注。自由基正离子是由中性分子失去一个电子(单电子氧化)产生的，常见产生自由基正离子的方法有化学氧化剂诱导、可见光诱导及电诱导。文章综述了近几年自由基正离子反应研究进展，主要包括化学氧化剂诱导的自由基正离子反应、可见光诱导的自由基正离子反应、电诱导的自由基正离子反应等方面的研究。1化学氧化剂诱导的自由基正离子反应化学氧化剂诱导的自由基正离子反应是指化学氧化剂对富电子化合物进行单电子氧化，产生自由基正离子，该策略已经在环加成和多种偶联反应等得到了广泛的应用。常见的化学氧化剂有金属氧化剂和非金属氧化剂。1.1金属氧化剂参与自由基正离子反应2018 年，Yu 等1 报道了铁(III)盐引发的 2+2 和 4+2 环加成反应(式(1)和式(2)，金属氧化剂 Fe(ClO4)3与 O2相结合对两种环加成均有效，O2作为还原铁的氧化剂，从而促进了反应顺利进行，Fe(II)盐可能被 O2氧化以再生 Fe(III)引发剂加快反应速度。通过这种方法合成的两种环加成产物均可以达到克级。(1)(2)092化学通报2023 年 第 86 卷 第 3 期http:/wwwhxtborgDOI:10.14159/ki.0441-3776.2023.03.0122018 年，Shin 等2 报道了多吡啶铁(III)配合物催化的单电子氧化 4+2 和 2+2 环加成反应(式(3)。研究结果表明，在共溶剂三氟乙醇和二氯乙烷存在下配合物 Fe(Me4phen)3(PF6)3是最有效的引发剂，而且空气中 O2也起了很重要的作用，与茴香醚自由基正离子形成了加成物 1，稳定了茴香醚自由基正离子。(3)2020 年，Jiang 等3 报道了 FeCl3催化的氧化诱导的二氢吡咯 2，1-a 异喹啉的自身偶联反应(式(4)，该反应不仅产率高，而且底物官能团兼容性好。结果表明，FeCl3是一种单电子氧化剂，底物可以失去一个电子，生成自由基正离子 2，然后对二氢吡咯 2，1-a 异喹啉加成形成阳离子中间体 3。自由基正离子中间体 3 可以进一步被FeCl3氧化成产物。(4)2021 年，Ohmura 等4 报道了 FeCl3/AgSbF6协同催化非共轭四取代烯烃与丁二烯的自由基正离子 4+2 环加成反应(式(5)。在 10(mol)%FeCl3和 30(mol)%AgSbF6存在下，反应在乙腈中能顺利得到具有富电子芳基的四取代烯烃的环加成产物。该反应与先前报道的铁(III)催化的底物的结果进行比较，证明了 FeCl3/AgSbF6共同催化的效率。此外，还进行了动力学研究以阐明详细的反应机理，该反应经历自由基正离子中间体 4。自由基正离子 4+2 环加成是构建各种六元环的主要策略，这些六元环无法通过热 4+2环加成获得。(5)2017 年，Lei 等5 报道了氧气条件下 CuBr 催化氧化诱导实现选择性芳烃胺化反应(式(6)，该反应底物普适性好，各种简单芳烃与不同的唑类均能发生反应，选择性高。对该反应的一系列机理研究表明，首先二价铜对富电子芳烃萘单电子氧化，生成萘自由基正离子，萘自由基正离子在反应中起了关键的作用，根据 DFT 计算结果，形成的萘自由基正离子电荷密度发生了明显的变化，C-2 更容易受到底物苯并三氮唑的进攻，形成芳烃自由基中间体 5，进一步单电子转移氧化得到阳离子中间体，最后失去质子从而形成目标产物。(6)2019 年，Zhao 等6 报道了氧气条件下 CuI 催化氧化诱导四氢喹喔啉双胺化反应(式(7)。在该体系下一级和二级烷基胺或芳香胺均能发生反应。该反应条件温和、反应时间短、底物普适性好、官能团兼容性好，为进一步设计单电子氧化的交叉偶联反应提供了依据。(7)2020 年，Zhao 等7 报道了氧气条件下 CuBr催化氧化诱导吲哚衍生物胺化反应(式(8)。该反应经历吲哚自由基正离子机理。(8)2021 年，Li 等8 报道了碱性条件下噻吩-2-甲酸亚铜(CuTC)催化染料 BODIPY-氢烷氧基化(式(9)。-氢取代是染料 BODIPY 官能团192http:/wwwhxtborg化学通报2023 年 第 86 卷 第 3 期化的直接方法，然而，染料 BODIPY 对弱亲核试剂的 反 应 活 性 不 好，在 此，作 者 报 道 了 染 料BODIPY 和各种醇之间的-氢取代反应。这种直接的 C-H 烷氧基化具有广泛的底物范围和高位点选择性，得到了一系列具有不同官能团的-烷氧基化 BODIPY。该反应经历自由基正离子历程。(9)2018 年，Leth 等9 报道了 Ag2CO3与手性胺共催化氧化醛与羧酸发生偶联反应(式(10)，生成了羧酸叔烷基酯产物。该反应具有良好的立体选择性，手性胺与醛缩合后，在 Ag2CO3的作用下形成亚铵自由基正离子，进一步失去质子，再氧化后得到亚氨基碳正离子，然后与羧酸偶联得到产物。(10)1.2非金属氧化剂参与自由基正离子反应非金属氧化剂参与单电子转移研究也越来越多，常见的此类氧化剂有 Selectfluor 试剂、高价碘试剂、过硫酸盐、二氯二氰基苯醌(DDQ)、氮氧化物等。Selectfluor 试剂是一种经典的强氧化剂和氟化试剂，在反应中可以作为亲电氟化试剂来构建CF 键，也可以作为“无氟”功能化试剂来诱导自由基正离子反应。2017 年，Zhang 等10 报道了Selectfluor 试剂氧化诱导的苯乙烯衍生物胺氟化反应(式(11)。反应条件温和，选择性高，底物普适性好。该反应经历自由基正离子机理，在Selectfluor 试剂作用下烯烃发生单电子氧化，生成自由基正离子中间体 8，接着发生氟原子转移得到正离子中间体 9，进而与苯并三氮唑发生亲核胺化，得到胺氟化产物。2019 年，Chen 等11 报道了 Selectfluor 试剂氧化诱导硫醚氰基化反应(式(12)。底物普适性好，给电子、吸电子、杂环芳硫醚均能发生反应。(11)在 Selectfluor 作用下硫醚发生单电子氧化，生成自由基正离子中间体 10，进而与氰基自由基结合，生成鋶盐，然后发生去烃基化，得到硫醚氰基化产物。(12)高价碘试剂可以作为一种单电子转移氧化试剂，如双乙酰氧基碘苯(PIDA)和戴斯-马丁试剂(DMP)对芳环化合物的氧化反应。2016 年，Ji等12 报道了 PIDA 氧化诱导选择性 8-酰胺基喹啉胺化反应(式(13)。该反应底物普适性好，芳香族和脂肪族 8-酰胺基喹啉均能发生反应，反应条件温和，区域选择性高。推测反应机理为，首先PIDA 与双苯磺酰亚胺和 8-酰胺基喹啉形成配合物，然后通过单电子氧化生成自由基正离子中间体 11，接下来喹啉环 5 位胺化，氧化，脱去一个质子后得到喹啉环 5 位的胺化产物。(13)同年，Colomer 等13 报道高价碘试剂氧化诱导苯乙烯衍生物发生自身或交叉 2+2环加成反应(式(14)。六氟异丙醇(HFIP)是促进这些环加成反应的有效溶剂，该体系可用来合成不对称的四取代环丁烷，为天然产物合成奠定了基础。过硫酸盐廉价易得，无毒，环保友好，是一种强的单电子转移氧化试剂。2017 年，Liu 等14 报道了过硫酸铵促进的醚与芳杂环的交叉脱氢偶联292化学通报2023 年 第 86 卷 第 3 期http:/wwwhxtborg(14)反应(式(15)，反应条件温和，底物普适性好。(15)2020 年，Laha 等15 报道了过硫酸钾促进的富电子芳烃 Minisci 酰化反应(式(16)。在加热条件下过硫酸钾均裂产生硫酸根自由基负离子，氧化吡咯经单电子转移得到吡咯自由基正离子，接着与苯甲酰自由基反应，脱氢后得到目标化合物。(16)DDQ 是一种常见的有机强单电子氧化剂。2016 年，Lei 等16 报道了 DDQ 氧化诱导的富电子芳烃碳硫成键反应(式(17)，生成硫醚化合物。在反应中，DDQ 氧化富电子芳烃生成自由基正离子 13，进而与硫自由基交叉偶联，脱去质子得到醚类化合物。(17)同年，Wirtanen 等17 报道了 DDQ 与酸协同催化氧化苯并呋喃或苯并噻吩 3，3-偶联二聚反应(式(18)。结果表明，DDQ 通过单电子氧化将底物氧化成自由基正离子 14，进而与另一中性底物发生偶联，脱去质子得到 3，3-偶联二聚体。通过分子间氧化脱氢(ODH)偶联反应实现天然产物 Shandougenine B 的简明全合成。氮氧化物也能氧化诱导自由基正离子反应。(18)2018 年，Bering 等18 报道了在空气条件下，亚硝鎓盐氧化诱导杂环化合物自身偶联反应(式(19)。该反应条件温和，选择性高，底物普适性好，苯并呋喃、苯并噻吩和吲哚在该体系中有较好的兼容性。机理分析表明，亚硝鎓盐促进底物发生单电子氧化，生成自由基正离子 15，接着与另一分子底物反应，进而脱去质子得到目标化合物。(19)2020 年，Pradhan 等19 报道了亚硝基芳烃促进芳胺与硫酚的反应(式(20)。该反应条件温和，选择性高，原子经济，底物普适性好，除了苯胺类化合物外，吲哚等芳杂环胺也能发生此反应。邻亚硝基三氟甲苯氧化诱导芳胺产生自由基正离子 16，与硫酚反应后，氧化脱质子得到亚砜类化合物。(20)2可见光诱导的自由基正离子反应光是一种高效、廉价、环保的资