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导语
羟烷基化的杂芳烃类化合物是令人感兴趣的结构单元，并广泛存在于生物活性天然分子中。因此，开发一种简单有效的羟烷基化杂芳烃的制备方法是十分必要的。近日，许华建教授课题组在该研究领域取得了新进展，相关研究成果发表在Green Chem.（2023, DOI: 10.1039/D3GC00162H）。
前沿科研成果
光催化水相杂芳烃类化合物的羟烷基化反应
羟烷基化的苯并噻唑（hydroxyalkylated benzothiazoles）是一类非常有趣且重要的含氮杂环化合物，具有一定的开发价值，在医药和农药等领域都有广泛的应用。早期，羟烷基结构单元的合成主要通过羰基化合物与格氏试剂的亲核加成及使用醇、酮、醛或α-酮酸作为羟烷基前体实现氧化或中性Minisci羟烷基化（图1A）。然而, 然而上述的方法通常具有一定的局限性，如苛刻的反应条件、较差的原子经济性和反应选择性及有限的底物范围等。因此，开发简单高效的策略来构建这类化合物仍具有重要的理论意义和实际应用价值。
图1. 光氧化还原Minisci羟烷基化和TBADT光催化与醛的反应
（图片来源：Green Chem.）
另一方面，十聚钨酸盐（decatungstate）阴离子（[W 10 O 32 ] 4- ）作为有吸引力的和高活性HAT光催化剂，可以选择性地攫取多种化合物（醛及烷烃）上的氢原子。在此前的工作中，使用TBADT为光催化剂，以醛为酰基自由基前体，完成C-C、C-X（X为杂原子）键的构建，大多会得到羰基化的产物。
本文报道了一种简便绿色的羟烷基化杂芳烃类化合物的构建策略。该过程以TBADT作为光催化剂，水为反应溶剂，实现了醛与甲磺酰基杂环化合物在光照条件下的羟烷基化反应（图1C）。作者首先以2-甲磺酰基苯并噻唑1和环己烷基甲醛2为模型底物对反应条件进行了优化，在最优条件下以62 %的分离收率得到目标产物3（图2）。
图2. 反应条件优化
（图片来源：Green Chem.）
该反应表现出优异的底物普适性。各类脂肪醛及芳香醛都能以较高收率生成相应的羟烷基化产物。不同的噻唑杂环也同样适用于该反应（图3）。此外，这个催化体系也适用于唑类衍生物与烷烃的烷基化反应（图4）。
图3. 醛底物适用范围研究
（图片来源：Green Chem.）
图4. 烷烃底物适用范围研究
（图片来源：Green Chem.）
随后，作者对反应的实用性进行了研究。首先，作者尝试了克级反应，目标产物同样取得了优异的收率。为了进一步强调本方法的实用性，作者通过市售试剂三步合成抗组胺活性分子50，与先前报道的六步合成方法相比，本文的策略显著缩短了合成路线并得到了更高的总收率（图5）。
图5. 克级反应以及生物活性分子合成
（图片来源：Green Chem.）
为了探究可能的反应机理，作者进行了一系列机理实验。首先在标准反应条件下加入TEMPO（5.0 eq.），反应完全被抑制，并可以通过GC-MS检测到TEMPO加合物C和D的生成，说明该反应涉及自由基机理，揭示了酰基和烷基自由基的存在。一系列的氘代实验也表明了羟基氢可能来源于醛（图6）。
图6. 机理研究
（图片来源：Green Chem.）
为了更深入地了解反应机理，作者进行了几组对照实验。首先，在标准条件下，将反应时间减少到4小时，可以以50 %的分离收率得到化合物53（图7a）。当以酮53为起始原料进行反应时，以74 %的产率获得目标产物20（图7b）。对于上述实验结果，作者认为化合物53是反应过程中的一个重要中间体。为了进一步验证作者的假设，他们随后通过核磁共振氢谱分析监测了原料的转化率、酮53和产物20的产率随着反应时间变化的趋势（图7c）。
图7. 反应进程中间体实验
（图片来源：Green Chem.）
根据上面的实验结果，作者提出了可能的反应机理（图8）。首先，在光照射下，十钨酸盐[W 10 O 32 ] 4- 被激活到三重激发态* [W 10 O 32 ] 4- ，其随后从醛I或烷烃Ⅱ中攫取氢原子，产生酰基自由基A或烷基自由基B和[W10O32] 5- H + 。接下来酰基自由基A和原料Ⅲ通过自由基加成和β-断裂产生酮中间体E和甲磺酰基D；然后，在两次HAT过程后，最终生成羟烷基化产物Ⅵ并再生催化剂*[W10O32]4-。另一方面，烷基自由基B加成到Ⅲ的2位上生成自由基中间体C，其进一步脱去甲磺酰基D并生成烷基化产物V。
图8. 反应机理
（图片来源：Green Chem.）
该工作近期发表在《绿色化学》上（Green Chem.,2023, DOI: 10.1039/D3GC00162H）。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基础科研业务费的资助。
许华建教授简介
许华建，现为合肥工业大学教授，博士生导师。2002年获安徽师范大学应用化学专业学士学位，2007年于中国科学技术大学获博士学位（硕博连读，导师：刘有成院士）；2013-2014年在美国加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系做访问学者（导师：段镶锋教授）。2007年至今就职于合肥工业大学。
近年来以通讯作者发表SCI收录论文100余篇，获得授权的中国发明专利5项。主持科技部重点研发计划（子课题）、国家自然科学基金面上项目（3项）、青年基金、教育部新世纪优秀人才支持计划项目、安徽省重点研究与开发计划项目等10余项，企业委托课题多项。
获教育部霍英东教育基金会青年教师奖、安徽省科学技术奖（2项）、安徽省第十三批“115”产业创新团队负责人等。中国药学会高级会员、中国化学会高级会员、美国化学会会员，科技部、教育部、省级厅委评审专家，担任安徽省化工学会常务理事、安徽省色谱分析学会常务理事等。现在课题组的研究兴趣主要在两个领域：自由基化学和氟化学。
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