无额外共轭基团1,3-二烯的上坡光异构化反应研究

《Organic Chemistry Frontiers》：Uphill photoisomerization of 1,3-dienes lacking additional conjugated groupsOpen Access

　　

本研究利用上坡光催化（uphill photocatalysis）实现了对1,2,3-三取代1,3-二烯（1,3-diene）中热力学稳定性较差几何异构体的立体汇聚合成。高取代1,3-二烯作为合成砌块在众多合成应用中具有广泛用途。该两步法整体流程始于烯烃与内炔经烯-炔交叉复分解（ene-yne cross metathesis）偶联，随后以有机及有机金属三线态光敏剂（triplet sensitizer）进行催化异构化。此前针对1,3-二烯的研究仅限于含有额外共轭基团的体系，且成功上坡催化依赖于将该共轭基团旋转至与1,3-二烯非共平面，从而拉大异构体间的三线态能隙。在缺乏额外稳定基团的情况下，体系的三线态能隙更高。本研究中，研究人员同时采用铱光敏剂（Ir photosensitizer）及2-萘乙酮（2-acetonaphthone）等有机光敏剂，由于可能存在光氧化还原（photoredox）途径，其异构化机制尚不明确。对立体异构纯的E-或Z-异构体分别进行Stern–Volmer猝灭实验，结果显示二者对光敏剂三线态能量的猝灭速率存在显著差异，与选择性能量转移（energy transfer）机制一致。循环伏安（cyclovoltammetry）研究表明1,3-二烯的氧化电位过高，无法发生氧化还原途径，因此三线态能量转移最可能经由Dexter机制进行。基于DFT计算，研究人员从各单键旋转异构体（s-cis与s-trans）的布居分布及垂直单重态-三线态能隙两方面，合理解释了E/Z异构体间的选择性能量转移。其中s-trans E-异构体具有最低能隙，且自旋密度（spin density）局域于发生异构化的双键上。最后，对1,3-丁二烯的进一步研究表明，二烯显著偏离共平面将导致垂直三线态能隙大幅升高，说明在可能存在烯丙位张力（allylic strain）的复杂体系中，构象平衡（旋转异构体）及显著扭曲的1,3-二烯能隙均会受到影响。

论文主体内容解读

一、研究背景与问题提出

1,3-二烯是一类重要的合成砌块分子，在近年来的双官能团化反应中受到广泛关注，可从简单原料构建高功能化分子。然而，获得几何异构纯的1,3-二烯一直具有挑战性。此前研究表明，上坡催化（uphill catalysis）是制备取代苯乙烯、二烯基芳烃及二烯酸酯类化合物的有效手段，其中共轭基团在选择性光催化中发挥关键作用。对于缺乏苯乙烯类共轭的1,3-二烯，设计光异构化更为困难——研究人员此前发现，缺乏额外共轭取代基的1,3-二烯会发生非选择性光异构化。与苯乙烯不同，1,3-二烯存在两种不同的单键构象异构体（s-cis和s-trans），而这些旋转异构体在三线态敏化过程中的作用此前从未被研究。

成功的上坡光催化依赖于对稳定E-异构体的选择性激发，而当两种几何异构体能隙相近时，选择性变得困难。此前对取代苯乙烯和二烯基芳烃的研究利用Z-异构体中的烯丙位张力将芳基π稳定基团扭曲出平面，从而增大Z-异构体至三线态的能隙。在本工作之初，尚不清楚对1,3-二烯骨架本身的平面性扭曲（相对于将共轭基团扭曲出共平面）是否能足够增大三线态能隙以实现选择性能量转移。对于本工作中涉及的高三线态能量的非共轭1,3-二烯，能量转移机制此前未被详细阐明——所需的高能光敏剂可能参与氧化还原反应。此外，二烯s-cis和s-trans构象在敏化过程中的作用也从未被研究。

二、研究内容与主要结论

研究人员开发了一种串联催化过程，实现三取代1,3-二烯的立体汇聚合成。据研究人员所知，这是首例缺乏额外共轭的1,3-二烯表现出向其热力学不稳定几何异构体进行立体汇聚光异构化的案例。该两步法首先通过烯-炔交叉复分解（EYM）将烯烃与内炔偶联，随后利用有机或有机金属三线态光敏剂进行催化异构化。

在条件优化中，研究人员考察了多种不同三线态能量的光敏剂。低能光敏剂如Ru(bpy)₃²⁺和对苯醌无法改变二烯2a的初始E/Z比例；高三线态能量的有机金属光敏剂Ir1（1 mol%）在20分钟内达到稳态，给出24:1的E/Z比例；有机光敏剂1-萘甲醛在365 nm紫外光照射2小时后给出19:1的比例；Ir3和Ir4（三线态能量分别为58.6和60.1 kcal mol^?1）给出最高的E/Z比例（32:1）。总体趋势显示50 kcal mol^?1为低能阈值，58–59 kcal mol^?1时异构体比例达到最大，更高能量则选择性下降。对照实验表明无光敏剂时两种光源均不引起异构化。最终确定两种理想条件：（a）1 mol%铱光敏剂配合蓝光LED照射20分钟；（b）20 mol%有机光敏剂配合UV-B照射2小时。

在底物范围考察中，对称内炔经EYM/光异构化串联过程以良好至优异的分离产率得到目标二烯，多数情况下E/Z比例达30:1。苄基醚、环氧化物、酯、磷酸酯和游离醇等官能团均表现出良好耐受性。对于不对称内炔，研究人员聚焦于元素取代炔烃（硅基或硼酸酯基），利用其位阻效应实现高区域选择性。TMS取代炔烃在EYM步骤产率较低，但光异构化给出高E-立体选择性，完全反转了烯-炔复分解固有的Z-选择性。PinB-取代炔烃在EYM步骤产率更高且区域选择性优异，所有底物经2-萘乙酮和365 nm光照射2小时后均获得>24:1的异构体比例。

光异构化时间进程取决于底物和光敏剂。有机金属光敏剂（1 mol%）在蓝光下20分钟内完成异构化，而有机光敏剂（20 mol%）在365 nm紫外光下需1–2小时。带有更大体积三甲基硅基或B(pin)取代基的二烯异构化较慢，这与Dexter能量转移机制一致——该机制要求光敏剂三线态与二烯紧密接触。

立体纯1,3-二烯3的获得为高取代1,3-二烯的立体特异性转化提供了途径。乙烯基硼酸酯可参与多种转化，包括Suzuki–Miyaura偶联，研究人员以高收率获得立体异构纯产物，展示了该转化的立体特异性。三甲基硅基可通过脱硅反应立体特异性移除，得到1,3-二取代-1,3-二烯5，而Z-5无法通过复分解方法获得。此外，二烯2g与原位生成的腈氧化物发生位置选择性[3+2]偶极环加成，得到具有立体定义的烯基侧链的异噁唑啉6。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：

（1）烯-炔交叉复分解（EYM）：使用钌催化剂Ru1将烯烃与内炔偶联，构建1,2,3-三取代1,3-二烯骨架；

（2）上坡光催化异构化：使用铱配合物光敏剂（Ir1–Ir4）或有机光敏剂（2-萘乙酮等）在可见光或UV-B照射下实现E/Z立体汇聚异构化；

（3）Stern–Volmer猝灭分析：通过稳态发射强度和激发态寿命两种方式测定E-和Z-异构体对光敏剂三线态的猝灭常数，评估选择性能量转移效率；

（4）循环伏安法（CV）：测定二烯异构体的氧化还原电位，排除光氧化还原机制；

（5）DFT量子化学计算：采用TPSS和B2PLYP泛函（含D3色散校正）结合def-TZVP基组，计算各旋转异构体的Boltzmann布居、垂直三线态能隙（VTEG）、自旋密度分布及1,3-丁二烯单键旋转势能面。

四、光物理与电化学研究结果

光物理研究表明，E-3e对Ir4激发态的猝灭效率比Z-3e高一个数量级以上。发射强度Stern–Volmer分析给出E-3e的K_sv为0.20 mM^?1，而Z-3e仅为0.016 mM^?1。激发态寿命测量进一步证实了这一差异：E-3e的K_sv为0.29 mM^?1，Z-3e为0.029 mM^?1。两种异构体均引起激发态寿命变化，表明猝灭为动态双分子碰撞过程。电化学研究表明，在+2.7 V至?2.7 V（vs. FcH^+/0）范围内，E-和Z-3e均未显示氧化或还原事件，而Ir4的氧化还原电位分别为+0.82 V和?1.76 V（vs. FcH^+/0），因此Ir4无法与二烯3e发生电子转移，排除了光氧化还原作为主导机制的可能性。这些观察与碰撞能量转移机制一致。

五、基于计算的机理模型

DFT计算表明，E-3h的Boltzmann布居分析预测s-cis与s-trans比例为75:25，其中布居的s-trans旋转异构体具有较低VTEG。Z-异构体虽也存在低能隙旋转异构体，但其平衡偏向s-cis-Z-3h，该异构体的三线态能隙过高，无法被本研究使用的光敏剂触及。这一不利平衡实际上关闭了向Z-异构体的能量转移。在优化基态几何中，除s-trans E-3h外，所有情况的1,3-二烯二面角均显著偏离共平面；即使s-trans Z-3h也有158°的二面角（偏离共平面22°），源于烯丙位张力的最小化。

选择性激发E-异构体的合理解释是：E-异构体通过布居的s-trans旋转异构体具有最低能隙，而Z-异构体的s-trans旋转异构体基本无布居，偏向具有更高且不可及三线态能隙的s-cis旋转异构体。对E-异构体的选择性三线态激发将在敏化能量转移过程中持续富集Z-异构体。

计算得到的垂直三线态能量高于实验所用光敏剂的三线态能量，因此三线态必须经历键旋转以降低能量。s-trans E-3h至幻影三线态（phantom triplet）的优化平衡几何能隙为54.1 kcal mol^?1，可被Ir4或2-萘乙酮触及。在三线态中，s-trans E-3h的自旋密度局域于发生异构化的键上，导致该键在双自由基三线态中旋转至90°二面角的幻影三线态，随后可交叉至更稳定的单重态，等概率形成Z-或E-双键几何。

对1,3-丁二烯的详细计算表明，单键旋转180°给出s-trans能量最低点，ΔG为+4.03 kcal mol^?1，活化势垒为+6.7 kcal mol^?1。VTEG在±90°处最大，在0°和180°处最小。偏离共平面20°仅使VTEG增加2%，而60°二面角的扭曲构象能隙高达+90–95 kcal mol^?1。这些数据表明，偏离共平面的扭曲会推高VTEG，与烯丙位张力通过扭曲二烯构象增大VTEG的推理一致。

六、结论

研究人员开发了两步法合成高取代且几何纯的1,3-二烯：先经分子间烯-炔交叉复分解，再进行上坡光催化。该流程从简单烯烃和内炔原料出发，复分解步骤提供1,2,3-三取代-1,3-二烯，光催化步骤实现向热力学不稳定立体异构体的汇聚异构化。确定了两种优化条件：1 mol%铱光催化剂配合蓝光，或20 mol%有机光催化剂（如2-萘乙酮）配合UV-B光。铱催化剂异构化最快（数分钟内完成），有机光催化剂虽稍慢但成本更低且同样有效。该串联流程对多种官能团均有效，所得立体纯二烯可进一步进行Suzuki偶联、脱硅及[3+2]环加成等立体特异性转化。光物理和电化学研究排除了光氧化还原机制，支持Dexter型三线态能量转移。DFT计算揭示了s-cis/s-trans旋转异构体布居和垂直三线态能隙在选择性能量转移中的关键作用，为理解和预测1,3-二烯光异构化提供了理论框架。