芯耀
与非AI
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一、研究背景
烯烃双官能团化反应能够在一个步骤中同时构建两种化学键，是快速增加分子复杂度的重要策略。硫醚广泛存在于药物、天然产物以及功能材料中，其结构常常决定分子的生物活性和理化性质。而通过烯烃碳硫化反应可以同时构建C−C键和C−S键，这对于硫醚类化合物的合成具有重要价值。
但是这类反应具有一定的局限性，原因在于低价硫物种容易与过渡金属催化剂发生强配位，使催化剂失活，从而影响交叉偶联过程。已有研究更多集中在砜、亚砜等高氧化态含硫化合物，而直接构建硫醚仍然具有较大的挑战。与此同时，多数自由基来源仍依赖预官能团化试剂，不仅增加了合成步骤，也降低了原子经济性。
二、研究思路与创新策略
针对上述问题，作者设计了一种光诱导Fe/Ni双金属催化体系，将铁催化的LMCT光化学过程与镍催化交叉偶联相结合，实现普通烷烃C(sp3)-H键的直接活化。在该体系中，铁催化剂吸收光能后产生氯自由基，通过氢原子转移过程直接从烷烃中夺取氢原子，生成烷基自由基。生成的自由基随后加成到烯烃上，再由镍催化循环完成硫醚键的构建。同时，镍催化剂还能调控硫物种的氧化态，使整个体系能够克服低价硫导致催化剂中毒的问题。整个过程无需预先制备自由基前体，也不需要额外加入氧化剂或还原剂，具有较好的绿色化学特点。
三、底物适用
优化条件下，该方法表现出较好的底物兼容性。环己烷、环戊烷至十二元环等多种环烷烃均可顺利参与反应，直链和支链烷烃同样能够作为自由基来源。
磺酰氯底物适用范围也较宽泛，带有甲基、甲氧基、苯基以及萘基等取代基均能够获得较高收率。含氟、氯、碘等卤素取代基也能够很好保留，为后续进一步官能团转化提供了便利。
烯烃方面，无论是富电子苯乙烯、缺电子苯乙烯，还是丙烯酸酯以及内烯酮等底物，都可以顺利发生三组分偶联反应。研究团队还将该方法应用于香叶醇、薄荷醇及香草基酮等天然产物衍生物，实现了后期官能团修饰，说明该体系具有较好的应用潜力。此外，克级放大实验仍能保持接近80%的收率，证明该方法具有一定的实际应用价值。
四、机理研究
为了验证反应机理，作者进行了多项控制实验。
加入TEMPO和BHT自由基捕获剂后，反应几乎完全受到抑制，同时检测到了TEMPO捕获的环己基自由基产物，证明体系中确实存在烷基自由基中间体。
动力学同位素实验得到的KIE值接近1，说明C(sp3)-H键断裂并不是整个反应的决速步骤。作者还发现，使用溴代或碘代磺酰化试剂时目标产物无法生成，说明过量重卤离子会降低铁催化剂的光活性。进一步利用二硫代中间体进行反应，也能够获得目标硫醚产物，说明该中间体很可能参与了催化循环。多项实验共同支持了作者提出的反应机理。
五、反应机理分析
作者提出，该反应主要经历铁催化循环和镍催化循环两个部分。
光照条件下，Fe(Ⅲ)-Cl络合物发生配体到金属电荷转移，释放氯自由基。氯自由基通过氢原子转移作用活化普通烷烃，生成烷基自由基。随后，该自由基加成至烯烃形成新的碳自由基。
另一条催化循环中，镍催化剂负责活化磺酰氯，并通过氧化加成、单电子转移以及配体交换等步骤形成活性镍中间体。生成的碳自由基与镍中间体结合，经还原消除后形成目标硫醚，同时再生镍催化剂完成循环。作者还提出另一条可能路径，即先形成砜中间体，再经铁催化脱氧生成最终硫醚，两条路径均能够解释实验结果。
六、总结与展望
这项工作建立了一种光诱导Fe/Ni双催化烯烃碳硫化新方法，实现了普通烷烃C(sp3)-H键的直接活化，同时完成C−C键和C−S键的同步构建。该策略有效解决了低价硫物种易使金属催化剂失活这一长期难题，也避免了传统方法对预官能团化自由基前体的依赖。体系具有反应条件温和、底物范围广、官能团兼容性好以及易于放大的特点，为硫醚类化合物的高效合成提供了一种新的解决方案，也为铁催化LMCT光化学与镍催化交叉偶联的结合提供了新的研究思路。
文章链接
https://doi.org/10.1021/acs.orglett.6c02471
