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  碳碳双键(C=C)、叁键(C≡C)是有机化学中重要官能团,利用双键和叁键的高反应性可以合成结构复杂的有机物,如加成、环化、还原反应等. 同时碳碳不饱和键更是广泛存在于药物、天然产物等化合物中. 因此,如果能高效地实现不饱和键的转化,就可以得到更多复杂化合物,对有机物在材料、生物、医药等方面应用的研究具有重要促进作用. 在不饱和键的转化中,如果在一步反应中在不饱和键的两端同时引入基团,得到的是双官能团化的产物,如经典的Sharpless不对称双羟化、羟氨化反应等^[1]. 双官能团化反应最大的优点是步骤经济性,可在一步反应中引入两种不同的基团,但是此类型的反应也面临着反应位点选择性的难点. 因此研究高效的不饱和键双官能团化反应也引起了科学家的广泛兴趣.

  

  图图式1 氧气存在下双官能团化反应的可能途径

  Figure 图式1. Proposed mechanism for the difunctionalization reactions in the presence of dioxygen

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  近年来自由基促进的双官能团化反应取得了较大的进展^[2]. 反应的主要途径是自由基对不饱和键进行加成形成碳自由基,之后通过自由基捕获剂或者金属配位等方式获得双官能团化的产物. 其中利用氧气作为自由基捕获剂得到羟基或者羰基化的产物是其中的一大类型反应(Scheme 1). 很明显此类反应利用氧气作为反应试剂具有很高的原子经济性,羟基或者羰基可进一步延伸化得到更复杂结构的有机物. 本文将从不同的自由基类型出发,综述近年来碳碳不饱和键的双官能团羟基或者羰基化反应.

  1    磷自由基

  唐果等是以苯丙炔酸类化合物为底物,铜盐作为催化剂,TBHP作为氧化剂,氨水作为碱,60 ℃空气氛围下进行. 该方法对二苯基膦氧类底物有很好的反应性,产率可以达到94%. 但对磷酸酯的反应性较差,收率只有22%(Eq. 4).

  除了烯烃外,炔烃也成功地应用在β-羰基膦化合物的合成中. 2015年,陈晓岚^[8]、唐果^[9]、宋秋玲^[10]、何卫民^[11]等几乎同时报道了炔烃或者炔酸与磷氢化合物反应合成β-羰基膦化合物.

  

  图图式2 炔烃的羰基膦酰化反应机理

  Figure 图式2. Plausible reaction mechanism of oxyphosphorylation

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  相比β-羰基膦化合物,通过磷自由基与不饱和键的双官能团化反应合成β-羟基膦化合物的报道甚少. 2011年,Taniguchi小组^[14]报道了磷酸酯自由基对烯烃的磷酰化/羟基化反应. 该方法以二乙氧基磷酰肼作为磷自由基的前体,在Fe(Pc)催化下,通过氧化脱氮气产生磷自由基. 磷自由基与双键发生自由基加成得到碳自由基,氧气捕获碳自由基得到羟基化产物. 底物为单取代的烯烃时反应的选择性差,伴有副产物β-羰基膦化合物的生成(Eq. 10).

  β-羰基膦化合物是一类重要的有机膦化合物^[3],通过羰基的转化可以延伸合成更丰富的膦化合物^[4],并且它是著名的Horner-Wadsworth-Emmons (HWE)反应的底物,因此发展β-羰基膦化合物的高效合成方法引起合成化学家们的广泛兴趣^[5]. 2012年,姬建新课题组^[6]首次报道铜铁催化下氢亚磷酸酯与烯烃反应合成β-羰基膦化合物. 该反应以CuI/FeCl₃作为协同催化剂,三乙胺作为碱,空气氛围下反应可高产率地得到β-羰基膦酸酯. 反应具有很好的官能团适应性,烯烃的苯环上带有给电子或者吸电子都可以很好地反应. 值得提出的是空气中的氧气既是反应试剂又是氧化剂,具有很高的原子经济性(Eq. 1).

  机理研究方面,以上方法在相应的条件下加入自由基捕获剂2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(Tempo)或者2,6-对二叔丁基对甲酚(BHT)后反应被抑制,推测该类反应经历了自由基过程.值得提出的是宋小组通过电子顺磁共振(EPR)技术更详细的研究了反应机理,指出铁盐促进产生磷自由基,铜盐在氧气与自由基结合步骤中起作用(Scheme 2).

  陈晓岚等的方法是以端炔类化合物为底物,通过铜银协同催化,并加入K₂S₂O₈使AgNO₃得到循环利用. 反应在空气氛围室温下进行,操作简单,底物适用性广,二苯基膦氧与氢亚磷酸酯类化合物都可以高效反应(Eq. 3).

  2015年,宋秋玲小组^[7]发展了铜铁协同催化肉桂酸衍生物与氢亚磷酸酯反应制备β-羰基膦化合物. 反应条件与姬建新小组的方法类似,只是将CuBr₂替换为CuOTf. 相比端烯,肉桂酸衍生物可简单地从苯甲醛出发合成,并且易于保存. 该方法更大的优势在于可将从苯甲醛出发合成肉桂酸与后续的双官能团化反应在一锅中进行,产率只是稍稍降低. 该方法提供了一个高度实用的以廉价的苯甲醛出发合成β-羰基膦化合物的新方法(Eq. 2).

  宋秋玲与何卫民等报道的合成方法类似,都是铜铁催化体系(Eqs. 5,6). 前者在底物方面有更广泛的适用性,端炔或炔酸底物都可以反应,氢亚磷酸酯或二苯基膦氧类化合物也都适应(Eq. 6). 该反应以氧气为氧化剂,符合绿色化学和原子经济性的要求,而陈晓岚与唐果 的方法需额外添加氧化剂.

  

  图图式3 α,β-不饱和底物合成β-羰基膦化合物的反应途径

  Figure 图式3. Plausible reaction mechanism for oxyphosphorylation of chalcone and cinnamates

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  之后王洪根小组^[12]报道银盐作为催化剂,炔酸作为底物的合成方法,主要适用于二苯基膦氧类底物. 该反应需要在-15 ℃下进行,操作相对比较麻烦,并且收率相比之前的方法低(Eq. 7).

  宋秋玲小组在后续的研究中又实现了铜铁催化α,β-不饱和酯类、酰胺、酮类为原料合成β-羰基膦化合物(Eqs. 8,9)^[13]. 在对机理详细研究下发现,针对不同的底物可能经过的反应途径不同. α,β-不饱和酯、酰胺为底物时,产物羰基上的氧来自氧气,这一结果与炔或者炔酸为底物时一致. 酮为底物时,羰基上的氧并不是来自氧气而是来自查尔酮上的羰基,并且反应中伴有醛生成. 机理推测可能经过以下的过程: 首先,磷自由基经过Scheme 1的过程生成中间体2,2上过氧通过形成羰基促进C—C键的断裂生成羰基膦化合物和醛(途径b),这一过程解释了产物中的氧来自羰基而不是氧气(Scheme 3).

  2    硫自由基

  烯烃也被广泛应用在β-羰基砜的合成中. 2013年,王桦小组^[18]报道铜催化下苯磺酰肼对烯烃的双官能羰基/砜化反应(Eq. 13). 磺酰肼是一类相对较稳定和低气味的硫化物,在铜的作用下通过脱氮气产生苯磺酰自由基. 该反应中氧气同时作为反应物和氧化剂具有很高的经济性. 该小组在后续的研究中用苯亚磺酸为底物^[19],只是将催化剂Cu(OAc)₂替换为FeCl₃也实现了β-羰基砜的合成. 该反应产率相对前面的方法有所提高,产率范围为42%～94% (Eq. 14).

  

  图图式4 β-羰基砜化合成的可能反应途径

  Figure 图式4. A plausible mechanism for the formation of β-keto sulfones

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  近年来可见光催化作为一种新型高效的催化策略被广泛应用在自由基反应中. 2014年,Yadav小组^[24]报道了可见光催化苯硫酚对烯烃双官能团羰基化反应. 该反应eosin Y的用量可低至1 mol%,相比传统的合成方法,很大程度降低了催化剂的用量. 在可见光作用下,光敏剂eosin Y促进硫酚产生硫自由基,硫自由基与烯烃的反应与Scheme 1过程类似,最后硫醚再被氧化成砜(Scheme 5).

  2014年,Yadav小组^[21]报道苯磺酸钠与烯烃反应得到同样产物. 该方法是以AgNO₃催化苯磺酸钠产生自由基,同时需要加入催化量K₂S₂O₈来循环AgNO₃. 在后续的研究中^[22],他们发现无需加入AgNO₃,1.2 equiv.的K₂S₂O₈就可以很好地促进该反应的进行(Eq. 16).

  雷爱文等的方法无需添加引发剂,在室温空气氛围下进行.通过溶剂和添加剂PPh₃的调控可高选择性得到β-羟基硫醚和β-羟基亚砜. 1,2-二氯乙烷(DCE)为溶剂时得到是β-羟基亚砜化合物,DMSO为溶剂并加入PPh₃时产物是β-羟基硫醚.反应的可能机理是,氧气引发产生硫自由基,与烯烃发生加成生成碳自由基,氧气捕获碳自由基形成过氧自由基中间体,此中间体在DCE为溶剂时发生分子内的氧转移生成β-羟基亚砜,DMSO为溶剂并添加PPh₃时,过氧被还原生成β-羟基硫醚(Scheme 9).

  之后苯亚磺酸钠、苯磺酰肼和苯硫酚也成功应用在β-羟基砜的合成中. 2011年Taniguchi小组^[28]报道铁催化苯磺酰肼与烯烃在空气氛围中合成β-羟基砜,催化剂铁促进磺酰肼氧化脱氢生成砜自由基. 相比雷爱文的方法,该反应需加入金属催化剂FeCl₃,但无需加入还原剂PPh₃ (Eq. 18).

  

  图图式6 硫酚与端炔反应的可能机理

  Figure 图式6. Proposed mechanism for the reaction of terminal alkyne with thiophenol

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  图图式7 DMSO与烯烃为原料合成β-羰基砜

  Figure 图式7. Synthesis of β-oxo sulfones from DMSO and styrenes

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  图图式5 可见光催化β-羰基砜合成的可能途径

  Figure 图式5. Plausible pathway for the photocatalytic β-ketone sulfoxidation of alkenes to β-ketone sulfoxides

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  2013年,雷爱文小组^[16]报道了苯亚磺酸与末端炔烃在吡啶作用下,氧气氛围中反应可高效地得到β-羰基砜化合物. 该反应特点是无需金属参与,反应条件温和.可能经历的反应过程是吡啶与氧气共同促进苯亚磺酸生成砜自由基,之后砜自由基与叁键、氧气的反应与Scheme 1过程类似. 最后苯亚磺酸又作为还原剂参与到夺氧的过程,因此需要加入大过量的苯亚磺酸(Eq. 11).

  自由基化学中,对硫自由基的研究比较早^[15],并且能够产生硫自由基的种类也较多,如苯亚磺酸钠、苯磺酰肼、苯硫酚、二硫醚等都可以做为硫自由基的来源. 近年来硫自由基对不饱和键的双官能团羟基或者羰基化反应也得到了深入的研究.

  相比以上三种产生硫自由基的底物,苯硫酚作为底物时反应条件更为温和. 一般无需金属参与,硫酚在氧气氛围下即可生成自由基. 最近邹建平^[31]与雷爱文小组^[32]都报道了以苯硫酚为自由基底物与烯烃的反应. 邹建平等以少量叔丁基过氧化氢(TBHP)引发硫自由基与烯烃反应得到β-羟基硫醚的产物,无需添加还原剂(Eq. 21).

  最近,刘重荣课题组^[20]发现苯磺酰肼与烯烃,无需金属催化剂,在催化量CF₃COOH作用下也可生成β-羰基砜. 机理推测在酸性条件下氧气的氧化性比较强,可直接氧化磺酰肼脱氢脱氮产生砜自由基(Eq. 15).

  

  图图式9 选择性合成β-羟基砜与β-羟基硫醚

  Figure 图式9. Controlled syntheses of sulfoxides and sulfides

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  之后Yadav小组^[23]报道以AgNO₃为催化剂,K₂S₂O₈为氧化剂的条件下,苯硫酚与双键反应也得到相同的产物. 但是反应的机理有所不同,Yadav等通过实验证明了羟基硫醚是反应中间体,之后在氧化剂K₂S₂O₈作用下羟基与硫醚都被氧化.

  二甲亚砜(DMSO)也可作为砜自由基的来源. 2014年,黄国生小组^[26]报道DMSO在铁催化下与烯烃反应生成β-碳基砜化合物. 与之前产生硫自由基的不同处在于,该方法是加入水合肼作为还原剂,通过C—S键的断裂形成砜自由基,后续砜自由基与烯烃的反应和Scheme 1过程类似. 该反应扩展了砜基自由基的底物来源,为以DMSO为自由基底物的反应提供借鉴(Scheme 7).

  最近,邹建平小组^[25]报道了一个有趣的反应. 苯硫酚与端炔在催化量TBHP作用下,空气氛围中反应得到了α-硫代的醛类产物(Eq. 17). 该反应的产物与机理和文献报道的硫自由基与炔的反应有所不同. 底物主要适用于脂肪炔而不适用苯乙炔类化合物. 机理方面,有别于之前的自由基与端炔的加成反应,他们认为在这个反应中硫自由基并不是直接与叁键发生自由基加成,而是与叁键络合,之后分子H₂O从位阻小的一段进攻络合自由基,形成碳自由基中间体3,氧气捕获中间体3生成过氧自由基中间体4,最后4脱掉过氧离子得到产物(Scheme 6).

  2013年,雷爱文小组^[27]报道了无金属催化,苯亚磺酸与烯烃在空气氛围中,吡啶和三苯基膦促进下生成β-羟基砜化合物. 该反应与雷爱文小组报道合成β-羰基砜的方法类似,差别在于需要加入三苯基膦来夺氧. 苯亚磺酸在吡啶和氧气作用产生苯磺酰自由基,之后对双键加成形成碳自由基,氧气捕获碳自由基生成过氧自由基,最后在质子和还原剂PPh₃作用下脱掉一个氧形成产物(Scheme 8).

  上述两种方法对二取代的烯烃有较好的反应性,但对苯乙烯类底物反应性不好. 之后Taniguchi^[29]和Itoh小组^[30]分别发展了苯亚磺酸钠与烯烃在空气氛围中反应制备β-羟基砜. 这两种方法对于单取代的烯烃也有很好的反应性和选择性,只有少量的β-羰基砜生成,与之前的方法形成了很好的互补. Taniguchi用到的是镍催化剂,Itoh等用到的是单质碘催化. 二者都需要加入AcOH作为混合溶剂(Eqs. 19,20).

  2014年,Yadav小组^[17]报道了以苯亚磺酸钠代替苯亚磺酸实现了上述反应. 该反应以FeCl₃作为催化剂引发苯磺酸钠产生砜自由基,需额外加入K₂S₂O₈作为氧化剂. 相比雷爱文的方法优点是可将苯磺酸钠的量降低至1.6 equiv. (Eq. 12).

  

  图图式8 苯亚磺酸与烯烃为原料合成β-羟基砜

  Figure 图式8. Synthesis of β-hydroxysulfones from sulfinic acids and styrenes

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  邹建平等^[33]还报道了硫氰化铵与烯烃反应生成含硫氰基的羰基化合物. 文献报道以当量的硝酸铈铵(CAN)引发硫氰自由基,无需添加金属催化剂,酸性条件下氧气具有较高的氧化性,直接氧化硫氰化铵产生硫氰自由基(Eq. 22).

  3    含氟自由基

  雷爱文等^[38]用溴-烯烃作为底物与Langlois试剂反应时,只需0.25 equiv.的K₂S₂O₈就可以高效地得到α-CF₃-苯乙酮. 当他们用二取代的烯烃做底物时,无需添加剂,NMP作为溶剂时,氧气氛围下得到的是α-CF₃-苯甲醇化合物.文献报道的反应中,Langlois试剂一般是在银或者K₂S₂O₈作用下产生自由基. 在该反应中,雷爱文小组对机理进行了详细研究,认为是NMP与氧气共同作用促进CF₃SO₂Na产生CF₃自由基(Eq. 24).

  2013年,Maiti小组^[36]通过银催化Langlois 试剂产生CF₃自由基与烯烃反应生成α-CF₃-苯乙酮. 该方法的官能团适用性较好,产率也得到了很大的提高(42%～95%),并且Langlois试剂价格也比较低廉. 在机理研究中,他们还通过¹⁸O₂标记实验证实了羰基是来自空气中的氧气(Scheme 10).

  

  图图式10 烯烃为出发合成α-CF₃-苯乙酮化合物

  Figure 图式10. Synthesis of α-CF₃-substituted ketones from styrenes

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  2011年,肖吉昌小组^[35]首次报道了空气氛围下Umemoto试剂与端烯在还原剂作用下反应生成α-CF₃-苯乙酮,产率21%～40%. 该反应是通过还原Umemoto试剂产生CF₃自由基. 由于Umemoto试剂价格相对昂贵,并且产率较低,限制了该方法的应用(Eq. 23).

  

  图图式11 炔烃为出发合成α-CF₃-苯乙酮化合物

  Figure 图式11. Synthesis of α-trifluoromethyl ketone from (hetero)arylacetylene

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  含氟有机物在材料、医药、农药等各领域有着广泛应用,高效地合成氟化合物是有机合成的研究热点. 近年来,通过三氟甲基自由基反应成为合成氟化物的一个重大策略^[34]. 其中,三氟甲基自由基对不饱和键的羟 基/羰基化反应也进行了深入的研究.

  罗海清小组^[40]报道用以对苯醌(BQ)和TBHP作为组合氧化剂促进Langlois试剂与烯烃反应,产物为羟基化与羰基化的混合物,反应产率偏低,选择性也较差(Eq. 26).

  2015年杨义小组^[39]发展了锰催化的烯烃与Langlois试剂反应合成α-CF₃-苯甲醇化合物. 该方法具有很好的化学选择性,苯乙烯类化合物也可以很好地得到羟基化产物,是对雷爱文的方法很好补充(Eq. 25).

  Maiti小组^[37]在后续的研究中发现,端炔与Langlois试剂在银催化下也同样可以得到α-CF₃-苯乙酮. 他们对反应机理做了详细的研究,用Tempo捕获住CF₃自由基,用亚磷酸三乙酯作为自由基捕获剂,证实了中间体3的生成. 同时用O₂¹⁸与H₂O¹⁸标记实验证实了羰基的氧是来自氧气,值得注意是在这个反应中N-甲基吡咯烷酮(NMP)不仅作为溶剂,还作为过氧自由基的质子供体(Scheme 11).

  4    氮、氧自由基

  相比以上几种自由基,在此类反应中氮氧自由基报道的例子较少. 叠氮基是有机化学中重要的官能团,叠氮可以转化为氨基、酰胺或者构含建氮杂环,并且叠氮与炔的Click反应被广泛应用在生命、材料、药物等领域. 通过叠氮自由基反应引入叠氮是一种重要的合成策略.

  

  图图式14 氧自由基对烯烃的选择性双官能团化反应

  Figure 图式14. Selective Radical Dioxygenation of Alkenes

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  图图式12 双键的氧化胺化反应机理

  Figure 图式12. Proposed mechanism of this oxidative nitrogenaion of olefins

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  雷爱文小组^[46]用氮羟基类化合物作为氧自由基的来源,通过选择铜或者钴作为催化剂可以选择性地得到羟基或者羰基化的产物. 相比梁永民的方法,该方法无需额外添加氧化剂,原子经济性更好. 他们还用EPR技术详细研究了反应机理,证实了氮羟基只有在金属与氧气的共同作用下才会生成氧自由基,后续的反应过程与磷硫等自由基类似(Scheme 14).

  2013年,焦宁小组^[41]发现了一个有趣的反应,以TEMPO作为催剂,在氧气氛围下叠氮自由基与烯烃反应得到带有氰基和羰基的产物. 这一结果与之前提到的自由基与双键在氧气下的官能团化产物不同. 他们认为TEMPO促进TMSN₃产生的叠氮自由基与双键加成形成碳自由基中间体5,5与氧气结合生成过氧自由基6,与之前不同的是,中间体6发生了脱氧促进的C—C键断裂反应,这步反应与宋报道的磷自由基与查尔酮反应类似(Scheme 12).

  

  图图式13 氧自由基对烯烃的选择性双官能团化反应

  Figure 图式13. Selective radical dioxygenation of alkenes

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  2011年Alexanian小组^[43]报道了氮羟基化合物与烯烃在氧气作用下得到双官能团羟基化的产物. 反应以催化量的过氧化十二酰(DLP)诱导产生氧自由基. 之后他们将氮羟基团与双键设计在分子内,实现了分子内的成环羟基化反应(Eqs. 28,29) .

  焦宁小组^[42]在后续的研究中发现用廉价金属锰催化TMSN₃与烯烃反应可以很好的得到羟基叠氮的产物. 该反应的底物性适用性较广,苯乙烯类与多取代的烯烃都可以很好的反应得到产物. 可以将产物延伸合成多种含氮杂环,体现了该产物的重要应用. 氧气在该反应中既是羟基氧的来源,又作为氧化剂并使催化剂锰得到循环利用,具有很高的经济性. 还通过理论计算详细的研究了反应的机理(Eq. 27).

  梁永民课题组^[45]报道NHPI作为氧自由基的来源,在不同的催化剂作用下与烯烃反应可以选择性得到羟基或者羰基化的产物. 以TsOH作为催化剂,TBHP作为氧化剂得到的是羟基化产物. 但是以CuBr₂作为催化剂,二叔丁基过氧化物(DTBP)作为氧化剂得到则是羰基化产物. 与之前机理不同的是,氧自由基与双键加成得到的碳自由基被氧化成碳正离子中间体,水进攻碳正离子得到羟基化的产物,而在铜盐存在下羟基则会被氧化成羰基(Scheme 13) .

  2015年,Punniyamurthy小组^[44]报道醋酸铜催化N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)产生氧自由基,与烯烃反应实现羰基化反应(Eq. 30).

  5    碳自由基

  

  图图式15 烯烃的选择性氧化

  Figure 图式15. Selective Coupling and oxygenation of olefins

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  之后该小组^[49]又报道了铁氰化钾催化苯肼产生苯基自由基与烯烃反应生成醇类化合物(Eq. 33). Heinrich等^[50]也报道了类似反应,利用二氧化锰作为氧化剂,产物是过氧化物(Eq. 34).

  肼类化合物是一类很好的碳自由基前体,在氧化条件下通过脱氢脱氮产生碳自由基. 2010年,Taniguchi 小组^[48]首次报道了空气氛围下,酰肼在铁催化下与烯烃反应生成醇类化合物. 该方法主要适用于二取代烯烃,底物为单取代烯烃时会得到酮和醇的混合物. 反应可能经过的过程是酰肼在Fe(Ⅲ)的多次氧化下脱氢脱氮生成酰基自由基,后续反应历程与Scheme 1类似. 氧气既是产物中羟基上氧的来源,同时也作为氧化剂氧化Fe(Ⅱ) (Eq. 32).

  焦宁小组^[51]对苯肼与烯烃的反应做了更详细的研究(Scheme 15). 他们通过条件的控制可以选择性得到酮、二酮、醇三种化合物. 他们认为苯肼生成苯基自由基与烯烃、氧气作用得到的过氧自由基7是三种产物的共同中间体. 在四丁基碘化铵(TBAI)催化条件下,过氧中间体氧化碘负离子,自身被还原生成醇. 只加三乙烯二胺(DABCO)条件下,过氧自由基中间体与过氧自由基结合,再断裂生成酮. 铜铁催化条件下过氧中间体先转化为酮,之后酮的α-位被氧化成碳自由基,再与氧气结合生成二酮.

  Studer小组^[47]在2010年报道了锰(Ⅲ)促进苯硼酸与烯烃反应合成醇类化合物. 该反应只适用于缺电子类烯烃,产率较低(10%～67%),需要3 equiv.的锰(Ⅲ)促进苯硼酸产生苯基自由基(Eq. 31) .

  5    结论与展望

  综上所述,氧气存在下自由基对不饱和键的双官能团化反应在近几年中取得了快速的发展,为合成结构多样性的醇类和酮类化合物提供了一种有效的合成策略.该类反应具有以下优点: (1)双键与叁键等不饱和底物广泛存在有机化合物中,自由基前体种类较多,可获得多样性的有机物. (2)反应一般在空气下进行,对水氧不敏感,操作简单. (3)氧气既作为反应试剂也作为氧化剂,具有很高的原子经济性,符合绿色化学的概念要求. 因此,此类反应具有很大的发展应用空间. 但在该领域还有一部分工作值得去深入探讨研究. 首先,已经发展的自由基种类比较有限,特别是对碳、氮、氧等自由基还有很大的研究空间. 其次,目前大多数反应的底物还局限于苯乙烯、苯乙炔类化合物,而天然产物中存在更多的是一些脂肪的碳碳不饱和键. 因此,高效实现简单的不饱和键的双官能羟基/羰基化反应的意义更为深远. 最后值得一提的是,可见光促进的自由基反应具有催化效率高,反应条件温和等优点,将可见光催化应用在此类反应中具有很大的研究价值和应用前景.

• 1. [1]

     Kolb, H.-C.; VanNieuwenhze, M.-S.; Sharpless, K.-B. Chem. Rev. 1994, 94, 2483.

  2. [2]

     Mai, W.-P.; Wang, J.-T.; Yang, L.-R.; Yuan, J.-W.; Mao, P.; Xiao, Y.-M.; Qu, L.-B. Chin. J. Org. Chem. 2014, 34, 1958 (in Chinese). (买文鹏, 王继涛, 杨亮茹, 袁金伟, 毛璞, 肖咏梅, 屈凌波, 有机化学, 2014, 349, 185.)

  3. [3]

     Nguyen, L.-M.; Diep, V.-V.; Phan, H.-T.; Niesor, E.-J.; Masson, D.; Guyon-Gellin, Y.; Buattini, E.; Severi, C.; Azoulay, R.; Bentzen, C.-L. WO 2004026245, 2004 [Chem. Abstr. 2004, 140, 287532].(b) Erion, M.-D.; Jiang,-H.; Boyer, S.-H. US 20060046980, 2006 [Chem. Abstr. 2006, 144, 254238].(c) Perumal, S.-K.; Adediran, S.-A.; Pratt, R.-F. Bioorg. Med. Chem. 2008, 16, 6987.

  4. [4]

     Ryglowski, A.; Kafarski, P. Tetrahedron 1996, 52, 10685.(b) Kitamura, M.; Tokunaga, M.; Noyori, R. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 2931.

  5. [5]

     Maryanoff, B.-E.; Reitz, A.-B. Chem. Rev. 1989, 89, 863.

  6. [6]

     Wei, W.; Ji, J.-X. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 9097.

  7. [7]

     Zhou, M.-X.; Zhou, Y.; Song, Q. Chem. Eur. J. 2015, 21, 10654. doi: 10.1002/chem.v21.30

  8. [8]

     Chen, X.; Li, X.; Chen, X.; Qu, L.; Chen, J.; Sun, K.; Liu, Z.-D.; Bi, W.; Xia, Y.; Wu, H.; Zhao, Y.-F. Chem. Commun. 2015, 51, 3846.

  9. [9]

     Zhang, P.-B.; Zhang, L.-L.; Gao, Y.-Z.; Xu, J.; Fang, H.; Tang, G.; Zhao, Y.-F. Chem. Commun. 2015, 51, 7839.

  10. [10]

      Zhou, M.; Chen, M.; Zhou, Y.; Yang, K.; Su, J.; Du, J.; Song, Q. Org. Lett. 2015, 17, 1786.

  11. [11]

      Yi, N.-N.; Wang, R.-J.; Zou, Hua.-X.; He, W.-B.; He, W. J. Org. Chem. 2015, 80, 5023. doi: 10.1021/acs.joc.5b00408

  12. [12]

      Zeng, Y.-F.; Tan, D.-H.; Lv, W.-X.; Li, Q.; Wang, H. Eur. J. Org. Chem. 2015, 4335.

  13. [13]

      Zhou, Y.; Rao, C.; Mai, S.; Song, Q. J. Org. Chem. 2016, 81, 2027.(b) Zhou, Y.; Zhou, M.; Chen, M.; Su, J.; Du, J.; Song, Q. RSC Adv. 2015, 5, 103977. doi: 10.1021/acs.joc.5b02887

  14. [14]

      Taniguchi, T.; Idota, A.; Yokoyama, S.; Ishibashi, H. Tetrahedron Lett. 2011, 52, 4768.

  15. [15]

      Denes, F.; Pichowicz, M.; Povie, G.; Renaud, P. Chem. Rev. 2014, 114, 2587.

  16. [16]

      Lu, Q.; Zhang, J.; Zhao, G.; Qi, Y.; Wang, H.; Lei, A. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11481. doi: 10.1021/ja4052685

  17. [17]

      Singh, A.-K.; Chawla, R.; Yadav, L. D. S. Tetrahedron Lett. 2014, 55, 2845. doi: 10.1016/j.tetlet.2014.03.078

  18. [18]

      Wei, W.; Liu, C.-L.; Yang, D.-S.; Wen, J.-W.; You, J.-M.; Suo, Y.-R.; Wang, H.; Chem. Commun. 2013, 49, 10239.

  19. [19]

      Wei, W.; Wen, J.-W.; Yang, D.-S.; Wu, M; You, J.-M.; Wang, H. Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 7678. doi: 10.1039/C4OB01369G

  20. [20]

      Liu, C.-R.; Ding, L.-H.; Guo, G.; Liu, W.-W. Eur. J. Org. Chem. 2016, 910.

  21. [21]

      Singh, A.-K.; Chawla, R.; Yadav, L. D. S. Tetrahedron Lett. 2014, 55, 4742. doi: 10.1016/j.tetlet.2014.06.086

  22. [22]

      Chawla, R.; Singh, A.-K.; Yadav, L. D. S. Eur. J. Org. Chem. 2014, 2032.

  23. [23]

      Singh, A.-K.; Chawla, R.; Keshari, T.; Yadav, V.-K.; Yadav, L. D. S. Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 8550. doi: 10.1039/C4OB00776J

  24. [24]

      Keshari, T.; Yadav, V.-K.; Srivastava, V.-P.; Yadav, L. D. S. Green Chem. 2014, 16, 3986. doi: 10.1039/C4GC00857J

  25. [25]

      Zhou, S.-F.; Pan, X.-Q.; Zhou, Z.-H.; Shoberu, A.; Zhang, P.-Z.; Zou, J.-P. J. Org. Chem. 2015, 80, 5348.

  26. [26]

      Shi, X.-K.; Ren, X.-Y.; Ren, Z.-Y.; Li, J.; Wang, Y.-L.; Yang, S.-Z.; Gu, J.-X.; Gao, Q.; Huang, G.-S. Eur. J. Org. Chem. 2014, 5083.

  27. [27]

      Lu, Q.; Zhang, J.; Wei, F.; Qi, Y.; Wang, H.; Liu, Z.; Lei, A. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 7156. doi: 10.1002/anie.201301634

  28. [28]

      Taniguchi. T.; Idota, A.; Ishibashi, H. Org. Biomol. Chem. 2011, 9, 3151. doi: 10.1039/c0ob01119c

  29. [29]

      Taniguchi, N. J. Org. Chem. 2015, 80, 7797. doi: 10.1021/acs.joc.5b01176

  30. [30]

      Kariya, A.; Yamaguchi, T.; Nobuta, T.; Tada, N.; Miura, T.; Itoh, A. RSC Adv. 2014, 4, 13191.

  31. [31]

      Zhou, S.-F.; Pan, X.-Q.; Zhou, Z.-H.; Shoberu, A.; Zou, J.-P. J. Org. Chem. 2015, 80, 3682.

  32. [32]

      Wang, H.-M.; Lu, Q.-Q.; Qian, C.-H.; Liu, C.; Liu, K.; Chen, K.; Lei, A. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 1094. doi: 10.1002/anie.201508729

  33. [33]

      Liu, K.; Li, D.-P.; Zhou, S.-F.; Pan, X.-Q.; Shoberu, A.; Zou, J.-P. Tetrahedron 2015, 71, 4031.

  34. [34]

      Wang, G.-Z.; He, X.-P.; Dai, J.-J.; Xu, H.-J. Chin. J. Org. Chem. 2014, 34, 837 (in Chinese). (王光祖, 赫侠平, 戴建军, 许华建, 有机化学, 2014, 34, 837.)

  35. [35]

      Zhang, C.-P.; Wang, Z.-L.; Chen, Q.-Y.; Zhang, C.-T.; Gu, Y.-C.; Xiao, J.-C. Chem. Commun. 2011, 47, 6632.

  36. [36]

      Deb, A.; Manna, S.; Modak, A.; Patra, T.; Maity, S.; Maiti, D. Agew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 9747. doi: 10.1002/anie.201303576

  37. [37]

      Maji, A.; Hazra, A.; Maiti, D. Org. Lett. 2014, 16, 4524.

  38. [38]

      Lu, Q.; Liu, C.; Huang, Z.; Ma, Y.; Zhang, J.; Lei, A. Chem. Comun. 2014, 50, 14101. doi: 10.1039/C4CC06328G

  39. [39]

      Yang, Y.; Liu, Y.-L.; Jiang, Y.; Zhang, Y.; Vicic, D.-A. J. Org. Chem. 2015, 80, 6639.

  40. [40]

      Luo, H.-Q.; Zhang, Z.-P.; Dong, W.; Luo, X.-Z. Synlett 2014, 1307

  41. [41]

      Wang, T.; Jiao, N. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11692. doi: 10.1021/ja403824y

  42. [42]

      Sun, X.; Li, X.; Song, S.; Zhu, Y.; Liang, Y.-F.; Jiao, N. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 6059. doi: 10.1021/jacs.5b02347

  43. [43]

      Giglio, B. C.; Schmidt, V. A.; Alexanian, E. J. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 13320.(b) Schmidt, V. A.; Alexanian, E. J. Chem. Sci. 2012, 3, 1672. doi: 10.1021/ja206306f

  44. [44]

      Bag, R.; Sar, D.; Punniyamurthy, T. Org. Lett. 2015, 17, 2010.

  45. [45]

      Xia, X.-F.; Zhu, S.-L.; Gu, Z.; Wang, H.; Li, W.; Liu, X.; Liang, Y.-M. J. Org. Chem. 2015, 80, 5572.

  46. [46]

      Lu, Q.; Liu, Z.; Luo, Y.; Zhang, G.; Huang, Z.; Wang, H.; Liu, C.; Miller, J.-T.; Lei, A. Org. Lett. 2015, 17, 3402.

  47. [47]

      Dickschat, A.; Studer, A. Org. Lett. 2010, 12, 3972.

  48. [48]

      Taniguchi, T.; Sugiura, Y.; Zaimoku, H.; Ishibashi, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 10154. doi: 10.1002/anie.201005574

  49. [49]

      Taniguchi, T.; Zaimoku, H.; Ishibashi, H. Chem. Eur. J. 2011, 17, 4307. doi: 10.1002/chem.201003060

  50. [50]

      Kindt, S.; Jasch, H.; Heinrich, M.-R. Chem. Eur. J. 2014, 20, 6251.

  51. [51]

      Su, Y.; Sun, X.; Wu, G.; Jiao, N. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 9808. doi: 10.1002/anie.201303917

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  图式1  氧气存在下双官能团化反应的可能途径

  Scheme 1  Proposed mechanism for the difunctionalization reactions in the presence of dioxygen

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  图式2  炔烃的羰基膦酰化反应机理

  Scheme 2  Plausible reaction mechanism of oxyphosphorylation

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  图式3  α,β-不饱和底物合成β-羰基膦化合物的反应途径

  Scheme 3  Plausible reaction mechanism for oxyphosphorylation of chalcone and cinnamates

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  图式4  β-羰基砜化合成的可能反应途径

  Scheme 4  A plausible mechanism for the formation of β-keto sulfones

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  图式5  可见光催化β-羰基砜合成的可能途径

  Scheme 5  Plausible pathway for the photocatalytic β-ketone sulfoxidation of alkenes to β-ketone sulfoxides

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  图式6  硫酚与端炔反应的可能机理

  Scheme 6  Proposed mechanism for the reaction of terminal alkyne with thiophenol

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  图式7  DMSO与烯烃为原料合成β-羰基砜

  Scheme 7  Synthesis of β-oxo sulfones from DMSO and styrenes

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  图式8  苯亚磺酸与烯烃为原料合成β-羟基砜

  Scheme 8  Synthesis of β-hydroxysulfones from sulfinic acids and styrenes

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  图式9  选择性合成β-羟基砜与β-羟基硫醚

  Scheme 9  Controlled syntheses of sulfoxides and sulfides

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  图式10  烯烃为出发合成α-CF₃-苯乙酮化合物

  Scheme 10  Synthesis of α-CF₃-substituted ketones from styrenes

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  图式11  炔烃为出发合成α-CF₃-苯乙酮化合物

  Scheme 11  Synthesis of α-trifluoromethyl ketone from (hetero)arylacetylene

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  图式12  双键的氧化胺化反应机理

  Scheme 12  Proposed mechanism of this oxidative nitrogenaion of olefins

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  图式13  氧自由基对烯烃的选择性双官能团化反应

  Scheme 13  Selective radical dioxygenation of alkenes

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  图式14  氧自由基对烯烃的选择性双官能团化反应

  Scheme 14  Selective Radical Dioxygenation of Alkenes

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  图式15  烯烃的选择性氧化

  Scheme 15  Selective Coupling and oxygenation of olefins

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