吳磊教授課題組近年來圍繞功能性有機(jī)膦化合物與雜環(huán)化合物的合成方法和納米催化材料等領(lǐng)域開展研究，在ACS Catal., Org. Lett., Chem. Commun., Org. Chem. Front., Adv. Synth. Catal., Catal. Sci. Technol., J. Org. Chem., Chem. Eur. J.等國(guó)際期刊系統(tǒng)發(fā)表多篇成果。課題組目前有副教授1名、講師1名、博士生4名和碩士生11名。=

吳磊，1980年1月28日生，教授、博士生導(dǎo)師、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院副院長(zhǎng)。2007年獲得中國(guó)科學(xué)院理學(xué)博士學(xué)位（中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，導(dǎo)師：范青華研究員），2007-2009年，分別在美國(guó)Syracuse University和University of Notre Dame從事博士后研究。2010-2012年，為哈爾濱工業(yè)大學(xué)“百人計(jì)劃”引進(jìn)人才。2012年8月，人才引進(jìn)至南京農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系。先后入選江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”、南京市“321計(jì)劃”、江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人，2018年獲南京農(nóng)業(yè)大學(xué)“優(yōu)秀研究生教師”稱號(hào)。

二叔丁基過氧化物介導(dǎo)的自由基裂解C(sp²/sp³)-S鍵和官能團(tuán)轉(zhuǎn)移環(huán)化反應(yīng)

基于S-R（R = Me, Et, Bn, Ph）的C-S鍵裂解構(gòu)建含硫五元雜環(huán)受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注。2012年，K?nig課題組報(bào)道了第一例光催化C(sp³)-S鍵裂解鄰硫甲基芳烴重氮鹽與炔烴進(jìn)行分子內(nèi)環(huán)化構(gòu)建苯并噻吩衍生物的研究（Org. Lett. 2012, 14, 5334）。隨后，各種研究致力于通過內(nèi)部或外部自由基引發(fā)的C-S裂解實(shí)現(xiàn)各種分子間的硫醚環(huán)化。然而，這些研究均犧牲了原子經(jīng)濟(jì)性。僅在2019年，吳劼課題組使用偏亞硫酸氫鈉捕獲裂解的甲基自由基，而捕獲乙基的分離收率僅為30％（Org. Lett. 2019, 21, 1156）。本研究基于課題組前期研究基礎(chǔ)（Org. Lett. 2018, 20, 3144；Org. Lett. 2016, 18, 452），設(shè)計(jì)合成了多種官能團(tuán)（鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳烴、雜芳烴）取代的苯硫醚異腈，該反應(yīng)在過氧化二叔丁基（DTBP）作用下發(fā)生C(sp²/sp³)-S鍵切斷，實(shí)現(xiàn)了多種官能團(tuán)（鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳烴、雜芳烴）的原位轉(zhuǎn)移關(guān)環(huán)反應(yīng)構(gòu)建系列苯并噻唑衍生物，具有非常高的原子經(jīng)濟(jì)性（圖1）。

圖1 硫醚衍生物的自由基串聯(lián)反應(yīng)

（來源：Organic Letters）

作者首先以鄰硫甲基苯基異腈作為原料，通過對(duì)不同自由基引發(fā)劑、溫度進(jìn)行了優(yōu)化，反應(yīng)在最優(yōu)條件下以93%的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物2-甲基苯并噻唑。鑒于過氧化二叔丁基（DTBP）在加熱時(shí)產(chǎn)生甲基是眾所周知的，2-甲基苯并噻唑的甲基來源可能令人困惑。因此，甲基的來源應(yīng)該在這個(gè)階段被弄清楚，這將對(duì)反應(yīng)機(jī)理的初步理解提供依據(jù)，進(jìn)而為擴(kuò)展底物范圍的提供方向。故作者設(shè)計(jì)合成了氘代硫甲基的苯基異腈，在最優(yōu)條件下與N,N-二烯丙基-4-甲基苯磺酰胺進(jìn)行反應(yīng)，通過對(duì)反應(yīng)混合物的¹H-NMR、HR-MS分析清楚地表明CD₃自由基在反應(yīng)途徑中占主導(dǎo)地位，這也支持CD₃基團(tuán)觸發(fā)的基團(tuán)轉(zhuǎn)移環(huán)化優(yōu)先于甲基自由基的轉(zhuǎn)移環(huán)化（圖2）。從這個(gè)意義上講，可以預(yù)測(cè)帶有烷基或芳基取代基的其他硫醚也具有很高的可行性。

圖2 CD₃自由基和CH₃自由基的捕獲

（來源：Organic Letters）  

為了驗(yàn)證帶有烷基或芳基取代基的其他硫醚的可行性以及該方法的底物適用范圍，作者首先對(duì)硫醚異腈芳環(huán)的電子效應(yīng)進(jìn)行考察，這些底物均能順利反應(yīng)。接著，作者也考察了各類烷基取代的硫醚，發(fā)現(xiàn)其具有良好的官能團(tuán)兼容性。此外，作者還考察了各類芳基取代的硫醚，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)均能順利進(jìn)行，值得一提是，噻吩取代的硫醚的順利進(jìn)行預(yù)示著第一例雜環(huán)硫醚的自由基C-S鍵切斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同官能團(tuán)取代的芳環(huán)或硫醚均具有廣泛的適用性。作者還測(cè)試了各種鄰位OMe、SeMe和NMe的苯基異腈，但只有SeMe順利得到了產(chǎn)物。

圖3 底物適用范圍研究

（來源：Organic Letters）

最后，為了研究該反應(yīng)的機(jī)理，作者設(shè)計(jì)了多類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證（圖4）。a、通過TEMPO抑制反應(yīng)進(jìn)行，驗(yàn)證該反應(yīng)經(jīng)歷了一個(gè)自由基過程；b、通過HR-MS捕獲了甲基自由基和環(huán)己基自由基；c、H/D交換實(shí)驗(yàn)和自由基捕獲實(shí)驗(yàn)排除了^tBuO自由基的可能參與；d、交叉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了反應(yīng)歷程的是發(fā)生在分子間的。

圖4 機(jī)理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

（來源：Organic Letters）

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者推測(cè)反應(yīng)機(jī)理如下（圖5）：DTBP在加熱后進(jìn)行均裂解，得到叔丁基氧自由基，隨后進(jìn)行β-裂解產(chǎn)生甲基自由基并釋放丙酮。甲基自由基進(jìn)攻異腈末端碳得到亞胺自由基中間體[A]，同時(shí)該中間體與-SR部分環(huán)化，產(chǎn)生2-甲基苯并噻唑（2a）并釋放R自由基。當(dāng)R基團(tuán)不等于甲基時(shí)，反應(yīng)順利進(jìn)行并伴隨少量副產(chǎn)物2a（通常產(chǎn)率低于5％）。值得注意的是，一旦產(chǎn)生R自由基，它將進(jìn)攻原料得到中間體[C]和[D]，并重復(fù)類似的反應(yīng)過程得到最終產(chǎn)物（2）。

 圖5 可能的反應(yīng)機(jī)理

（來源：Organic Letters）

這一成果近期發(fā)表于Organic Letters（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b02837），該論文作者為：Kai Luo, Wen-Chao Yang, Kai Wei, Yue Liu, Jun-Ke Wang, and Lei Wu。上述研究工作得到了江蘇省自然科學(xué)基金，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)，江蘇省高校青藍(lán)工程，江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”的資助。