导读

近日，印度理工学院孟买分校Debabrata Maiti与Goutam Kumar Lahiri课题组利用噻吨酮（thioxanthone）作为光催化剂，实现了一种无金属催化的C(sp³)-H硫代芳基化（thioarylation）反应。一系列芳烃以及非活化的烷烃和环烷烃均与体系兼容。此外，通过后期的衍生化实验，进一步证明了反应的实用性。相关研究成果发表在Green Chem.上（DOI: 10.1039/D3GC00359K）。

正文

有机硫化合物广泛存在于各类天然产物和药物分子中。目前，将C-H键直接转化为C-X键（X= O、N和S）是构建含杂原子有机化合物的一种高原子经济性的方法。其中，基于C(sp³)-S键在药物分子中的重要性，C(sp³)-S键的构建备受关注（Scheme 1a）。

通常，硫酚与卤代烷烃之间的S_N2反应是构建C(sp³)-S键的常用方法，但存在底物范围有限、反应条件苟刻、官能团兼容性差等特点。为了解决上述的问题，化学家们开发了一系列通过自由基偶联策略构建C(sp³)-S键（Scheme 1b）以及有机光催化C(sp³)-H键的官能团化反应（Scheme 1c），但仍存在需要使用金属催化剂等问题。

近日，印度理工学院孟买分校D. Maiti与G. K. Lahiri课题组报道了一种在硫代芳基自由基源存在下，利用二芳基酮作为光敏剂和HAT试剂，实现了一种无金属催化的C(sp³)-H硫代芳基化反应（Scheme 1d）。

（图片来源：Green Chem.）

首先，作者以甲苯1a与1-苯硫基-吡咯啉-2,5-二酮2a作为模型底物，对反应条件进行了大量的筛选（Table 1）。

筛选结果表明，当以噻吨酮作为光催化剂，K₃PO₄作为碱，390 nm（40 W）的紫色LEDs作为光源，在室温下反应，可以68%的收率得到产物3a。

（图片来源：Green Chem.）

在获得上述最佳反应条件后，作者对底物范围进行了扩展（Scheme 2）。

首先，一系列不同电性取代的甲苯，均可顺利进行反应，获得相应的产物3aa-3al，收率为44-70%。乙基苯也是合适的底物，可以69%的收率得到产物3am。其次，当底物2的芳基上含有一系列不同电性的取代基时，也可与1顺利进行反应，获得相应的产物3an-3bj和3bm，收率为51-76%。此外，苄基硫代芳基底物也可与甲苯顺利反应，以31%的收率得到产物3bk。然而，环己基取代的底物仅获得32%收率的产物3bl。

（图片来源：Green Chem.）

紧接着，作者对非活化脂肪族烷烃的底物范围进行了扩展（Scheme 3）。

研究表明，一系列环状烷烃均可顺利进行反应，获得相应的产物5aa-5af，收率为43-51%。正戊烷和正己烷也是合适的底物，获得相应的区域异构体的混合物5ag-5ah，收率为43-45%。含氧的脂肪族化合物，如乙醚和四氢呋喃，均与体系兼容，获得相应的产物5ai-5ap，收率为61-74%。

（图片来源：Green Chem.）

为了缩短反应时间和提高反应规模，作者进行了连续流反应的研究（Scheme 4）。

研究表明，当在连续流反应体系中进行反应时，反应时间可大幅降低，并以60-68%的收率得到产物3aa、3ab、3ad和3ae。

（图片来源：Green Chem.）

随后，作者对反应机理进行了研究（Scheme 5）。

自由基抑制实验表明，反应涉及自由基的机理（Schemes 5a-5c）。分子内竞争性实验表明，自由基稳定性有利于反应（Scheme 5d）。分子间竞争性实验表明，自由基稳定性可驱动反应的进行（Scheme 5e）。荧光淬灭实验表明，噻吨酮具有能量转移和氢原子转移催化剂的双重作用。

（图片来源：Green Chem.）

此外，作者还对反应的实用性进行了研究（Scheme 6）。

研究表明，产物中的卤素可进一步进行Suzuki-Miyaura和Sonogashira偶联反应，获得相应的产物7（92%）和8（70%）。3aa可通过进一步的氧化反应，可以85%的收率得到砜衍生物9。3bh可通过进一步的偶联，可以25%的收率得到二苄基二硫化物10。

（图片来源：Green Chem.）

基于上述的研究以及相关文献的查阅，作者提出了一种合理的反应机理（Scheme 7）。

首先，在390 nm光辐射下，噻吨酮（PS）从基态被激发为三重态PS*，其通过从C(sp³)-H键中攫取氢从而引发反应。同时，1-苯硫基-吡咯啉-2,5-二酮通过噻吨酮的能量转移经同源断裂（homolytically cleaved）后，生成硫代芳基和琥珀酰基自由基。随后，硫代芳基自由基与底物生成的C(sp³)自由基偶联，即可获得目标产物。此外，琥珀酰基自由基再生噻吨酮并完成催化循环。

（图片来源：Green Chem.）

总结

印度理工学院孟买分校D. Maiti与G. K. Lahiri课题组利用噻吨酮作为光催化剂，实现了一种无金属催化C(sp³)-H硫代芳基化反应。同时，该反应具有反应条件温和、底物范围广泛、官能团兼容性高等特点。其次，噻吨酮作为光敏剂起着氢原子转移和能量转移的双重作用。此外，通过后期的衍生化实验以及使用连续流光反应器进行放大研究，进一步证明了反应的实用性。

论文信息：

Metal-free photoinduced hydrogen atom transfer assisted C(sp³)-H thioarylation

Jagrit Grover, Gaurav Prakash, Chitrala Teja, Goutam Kumar Lahiri, Debabrata Maiti

Green Chem. DOI: 10.1039/D3GC00359K 

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