《Journal of Catalysis》：A tandem visible-light/heterogeneous-alumina catalytic platform for sustainable transition-metal-free cyclobutene synthesis
Zhe Wang|Jie Huang|Min Zhou|Lin Ma|Min Zhang
广西大学化学与化学工程学院，中国广西南宁530004
摘要
通过可见光驱动的[2?+?2]环加成反应，将4-氯香豆素与苯并呋喃反应，随后在碱性氧化铝的催化下进行一系列连续反应（包括水解、脱羧和HCl的消除），实现了环丁烯的高效一锅合成。这一无需过渡金属的工艺在温和条件下进行，使用的是容易获得的底物，为环丁烯的合成提供了一种绿色且实用的方法。
引言
环丁烯是天然产物和药物中的常见结构单元（图1）[1]、[2]、[3]。其高度紧张的四元环结构和反应性的C=C键使它们成为有机合成中的多功能中间体[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。
迄今为止，已经开发出多种合成环丁烯的方法（方案1A）[11]、[12]，包括利用过渡金属（如Pd、Pt、Au、Ag）催化的[2π?+?2π]-环加成反应，这些反应涉及应力较小的或无应力的烯烃与炔烃的反应。[13] 其他方法还包括环丙烷[11]、[14]、[15]或[1.1.1]双环丁烷[16]的环重排（通过应力释放），以及在过渡金属存在下进行的[3?+?1]环加成反应（与硫酰亚胺或α-芳基重氮化合物的反应）[17]、[18]。尽管这些方法效率较高，但通常需要贵金属和预先制备好的底物，这限制了它们的可持续性和实用性。因此，迫切需要从容易获得的前体出发，开发出可持续且应用广泛的环丁烯合成方法。
可见光光催化为构建具有紧张结构的碳环提供了一种绿色且温和的替代方案，并取得了令人兴奋的进展[19]、[20]。例如，有机催化的手性选择性[2?+?2]光环加成反应已被成功用于制备手性环丁烷[21]。此外，光诱导的[2?+?2]环加成反应可以直接从烯烃和炔烃生成环丁烯[22]。Park及其同事报道了一种炔烃-烯烃[2?+?2]环加成反应生成环丁烯的方法[23]。与广泛研究的从烯烃生成环丁烷的方法[19]、[20]、[24]不同，炔烃的反应性较低，限制了这一策略的普遍适用性[22]。为了解决这些问题，我们提出了一种两步、无需过渡金属的策略：首先通过可见光诱导的[2?+?2]环加成反应生成卤代环丁烯（A），然后通过消除HX得到环丁烯（方案1A）。这种方法使用容易获得的底物，避免了过渡金属催化剂的使用，并且由于环丁烯的应变能（26.5?kcal/mol）低于环丁烯（28.7?kcal/mol）[22]，从而提高了反应性和可持续性。
为了实现有效的HX消除，前体A中的卤素（X）和氢（H）原子必须处于反构型。然而，通过光催化[2?+?2]环加成反应在卤代环丁烯中实现这种立体控制仍然具有挑战性（方案1B）[25]。为此，我们设计了一种使用具有刚性环系统的卤代内酯的方法，这些内酯能够与烯烃发生光诱导的表面积层[2?+?2]环加成反应，生成所需构型的中间体（C）。从该中间体（C）出发，通过水解得到羧酸B，然后脱羧得到所需构型的A以进行消除。这种多步骤设计不仅通过利用内酯框架的刚性确保了立体选择性，还提高了环加成的效率。在可用的内酯底物中，香豆素作为与烯烃进行光环加成的反应伙伴表现出优异的反应性[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。2015年初，Liu、Wu及其同事报道了在铱光催化剂作用下，香豆素-3-羧酸与丙烯酰胺或丙烯酸酯的分子间光环加成反应[29]。2023年，Liu和Guo报道了通过噻吩酮催化的[2?+?2]-环加成反应合成三氟甲基化环丁烷骨架[28]。Glorius小组开发了香豆素与双环丁烷的[2π?+?2σ]-环加成反应[25]。最近，Ceroni和Nolan通过金介导的[2?+?2]光环加成反应合成了环丁烷并联构型的chromanones[26]。因此，选择了4-卤代香豆素（D），因为它们在[2?+?2]光环加成反应中具有较高的反应性。
尽管设计很有前景，但仍存在两个关键挑战。首先，需要在紫外光条件下观察到的竞争性[4?+?2]环化途径[31]、[32]被抑制。为了促进[2?+?2]环加成反应，我们使用了具有高三重态能量和长寿命激发态的可见光光敏剂2,4,5,6-四（咔唑-9-基）-1,3-二氰苯（4CzIPN）（方案1C），从而实现了高效的三重态能量转移[26]、[27]、[28]、[29]、[30]，高产率地生成了氯代环丁烯中间体A-1。第二个挑战在于脱羧和消除反应通常需要苛刻的条件，如高温、强碱或过渡金属催化剂（如Ag、Pd、Cu）[33]。这些条件与温和、绿色的合成方法不兼容。受到Jaenicke关于Ag掺杂Al2O3用于脱羧工作的启发[34]，我们推测在我们的多环系统中银可能不是必需的，因为水解-脱羧过程应该能够自发进行。结果发现，市售的碱性Al2O3（300–400目，约10/500克）单独使用就可以在室温条件下促进串联的水解、脱羧和消除反应。此外，这种非均相催化剂可以直接将A-1转化为目标环丁烯3，无需中间体纯化。
总体而言，我们报道了一种绿色、操作简单的环丁烯合成方法，该方法通过可见光诱导的[2?+?2]光环加成反应，随后在碱性Al2O3的催化下进行水解-脱羧-消除。该方法避免了贵金属的使用，采用温和的条件，并能容忍粗制的反应混合物，符合绿色和可持续化学的原则。
结果与讨论
最初，将3,4-二氯香豆素（1a）和3-苯基苯并呋喃（2a）的反应混合物在含有2?mol% 4CzIPN的THF溶液中，使用蓝色LED（460–465?nm）进行照射（方案2）。通过简单重结晶，获得了环丁烯5aa，产率为81%。与直接用紫外光照射1a和2a混合物相比，这种方法表现出完全不同的反应性，在后者中，环化产物（4aa）的产率很低（36%，48小时）[32]。
结论
总结来说，我们开发了一种温和的、串联的光-热合成方法，用于从容易获得的3,4-氯香豆素和3-苯基苯并呋喃制备环丁烯。该方法结合了可见光驱动的[2?+?2]环加成反应和异相级联的水解-脱羧-消除反应，具有广泛的官能团耐受性。机理研究表明，光环加成反应是通过三重态-三重态能量转移进行的，其中激发的4CzIPN激活了香豆素
一般信息
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CRediT作者贡献声明
Zhe Wang： 方法学研究、实验设计。
Jie Huang： 方法学研究、实验设计。
Min Zhou： 方法学研究。
Lin Ma： 方法学研究。
Min Zhang： 文章撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢广西壮族自治区自然科学基金（编号2025GXNSFAA069429）和国家自然科学基金（编号21861002）提供的财政支持。
