可见光介导的Aza Paternò–Büchi反应及相关环加成反应用于合成氮杂丁烷（Azetidines）和氮杂戊烷（Azetines）

《Accounts of Chemical Research》：Visible-Light-Mediated aza Paternò–Büchi Reactions and Related Cycloadditions for the Formation of Azetidines and Azetines

四元氮杂环化合物azetidines/azetines的可见光催化合成策略研究，提出基于三重能量转移的六种新型合成方法（Type I-VI），包括环内/环外反应、烯烃/炔烃底物选择及氧化消除等后修饰应用。

　　

概述

四元含氮杂环化合物——氮杂环丁烷和氮杂环戊烷，最近因其作为药物应用新化合物发现的潜在靶点而受到关注。然而，由于缺乏通用且温和的合成方法，这些杂环化合物的潜力尚未得到充分发掘。aza Paternò–Büchi反应是一种光化学[2 + 2]-环加成反应，可用于合成氮杂环丁烷，这种方法简单且高效。但历史上，该反应的应用受到限制，因为亚胺在激发态下的反应性难以控制——光激发的亚胺可能通过E/Z异构化无辐射地衰回到基态，从而阻碍了环加成反应的进行。因此，在最初的几十年里，aza Paternò–Büchi反应的发展主要依赖于环状亚胺底物，以减少异构化并延长底物的激发态寿命。近年来，三重态能量转移光催化技术应运而生，利用温和的可见光照射和市售催化剂能够生成活性的三重态中间体。我们发现这种技术可以用于调控亚胺和烯烃的激发态，从而实现前所未有的转化类型。

在本文中，我们介绍了基于可见光介导的亚胺[2 + 2]-环加成研究工作，这些研究遵循能量转移光催化的关键设计原则——精确匹配光敏剂和底物的三重态能量以实现选择性底物敏化。由于仅使用可见光照射，该技术仅适用于活性的（即共轭的）烯烃和某些类型的亚胺，而无法作用于非活性的（即非共轭的）烯烃和炔烃。基于这一原理，我们开发了六种不同的策略（类型I–VI），用于合成氮杂环丁烷和氮杂环戊烷。这些策略区分了分子内和分子间的转化，并适用于三类不同的底物：活性烯烃、非活性烯烃和炔烃。

首先，我们展示了非环状肟和肼与活性烯烃之间的分子内aza Paternò–Büchi反应（类型I）。该反应通过选择性烯烃敏化来抑制亚胺直接激发引起的副反应，因此不适用于非活性烯烃。为了拓展该类底物的应用范围，我们利用2-异噁唑啉-3-羧酸的三重态反应性，在分子内（类型II）和分子间（类型III）aza Paternò–Büchi反应中实现了与非活性烯烃的转化。此外，我们还开发了一组基于非环状亚胺和活性烯烃的分子间反应（类型IV），首次在可见光条件下成功合成了单环氮杂环丁烷。接下来，我们扩展了2-异噁唑啉-3-羧酸与游离（类型V）和固定（类型VI）炔烃的分子间[2 + 2]-环加成反应，生成了1-氮杂环丁烷和2-氮杂环戊烷。最后，我们展示了这些氮杂环丁烷化合物的合成和工业应用：类型I产物可通过Ru催化的β-消除反应生成1-氮杂环丁烷（类型VII），而类型II和III产物可通过化学修饰获得硝基氮杂环丁烷，后者具有作为新型能源材料的潜力。