α-二羰基結構的構建及應用

李雪純，孫芳

北京化工大學化學學院有機化學系，北京 100029

具有β-二羰基基團的化合物是有機合成的重要中間體，其結構中兩個羰基間的亞甲基較為活潑，在堿的作用下能形成碳負離子變為一個優秀的親核試劑，進而在α碳或γ碳上引入酰基、烷基等各種基團，再通過酮式分解或酸式分解，即通過乙酰乙酸乙酯或丙二酸二乙酯合成法[1]生成取代丙酮、β或γ-二酮、γ-酮酸、取代乙酸、脂環羧酸等各種化合物，有關β-二羰基基團的反應是有機化學教材中的重要內容[2]。而與其結構類似的α-二羰基化合物由于兩個羰基碳直接相連而表現出不同的化學性質和用途。它們能發生多種光化學反應[3-5]，特別是兩個羰基碳之間的碳碳鍵可以在光照下裂解生成酰基自由基的特點，使α-二羰基化合物能夠通過自由基機理引發丙烯酸酯類化合物的聚合反應[6]。本文在此基礎上，介紹了幾種合成α-二酮類化合物的方法和相關應用，以期在教學過程中拓寬學生知識面，并通過講解應用提高學生的學習興趣。

合成α-二酮類化合物最常用的思路是首先通過Sonogashira偶聯得到合適的內炔，再經一定量的氧化劑氧化，生成α-二羰基基團[7]。最初人們選擇的氧化劑有高錳酸鉀[8]和高碘酸鈉[9]，然而反應的化學選擇性和官能團耐受性較低，不利于合成結構復雜的α-二酮類化合物。因此，需要人們開發具有高選擇性且條件溫和的α-二酮類化合物的方法。

Jung課題組[10]受汞鹽催化炔烴水合的啟發，以1 mol的炔烴反應底物為例，在水的存在下使用兩摩爾的硝酸汞，成功將芳基炔烴和烷基芳基炔烴轉化為α-二酮，反應方程式如圖1所示。從圖2所示的反應機理來看，生成α-二酮的關鍵在于先消耗第一摩爾的水合硝酸汞得到的中間體α-汞酮D被第二摩爾的硝酸汞活化，生成α-硝基酮H，最后還原消除亞硝酸得到產物α-二酮。造價昂貴且難以回收的鈀[11]、釕[12]、金[13]等貴金屬催化劑也被用于α-二酮的合成。Xia課題組[14]報道了一種以三氟甲烷磺酸銅(Cu(OTf)2)為催化劑、二乙酰氧基碘苯(PhI(OAc)2)為氧化劑在室溫下將芳基內炔轉化為α-二酮的方法，能夠以較高產率得到對位或間位取代的二芳基α-二酮，此外該方法還可制備雜環α-二酮。

圖1 硝酸汞氧化炔烴反應方程式

圖2 推測的硝酸汞氧化炔烴生成α-二酮機理

隨著對于綠色化學和可持續發展要求的提高，許多通過光催化合成α-二酮的工作相繼報道[15-17]。Hwang課題組[18]報道了一種在可見光誘導銅的超氧配合物氧化內炔為α-二酮的方法，反應方程式見圖3。以苯偶酰的生成為例，圖4為該反應機理，CuCl2在藍光LED照射下經過分子內的配體-金屬電荷轉移躍遷(LMCT)生成CuCl，CuCl與氧氣形成配合物A。配合物A經光激發后進攻二苯基乙炔，再經還原消除得到中間體D，最后中間體D的O―O鍵斷裂生成苯偶酰。值得一提的是，向反應體系中加入相當于炔烴物質的量的3.3倍的水可以提高α-二酮的產率，他們推測這是因為水能促進中間體D的O―O鍵斷裂。

圖3 可見光催化α-二酮合成

圖4 推測的可見光催化α二酮合成機理

目前，由醛、酮合成α-二酮的方法相繼報道。Das課題組[19]提出了一種在二氧化碳存在下以醛為底物合成不對稱α-二酮的方法，能以較高產率得到多種雜環α-二酮。最近，Yang課題組[20]開發了一種在溫和條件下由鐵納米復合物Fe@NPC-800催化H2O2氧化醛、酮為α-二酮的方法，具有良好的官能團耐受性，而且脂肪族酮類也能通過該方法生成α-二酮。

α-二羰基結構存在于許多天然產物中[21]，在雜化化合物和抗菌藥物的合成中有諸多應用[22-24]。此外，α-二羰基類化合物也是一類重要的光引發劑。光引發劑是一類在光照下能夠產生自由基或陽離子等活性物種而引發單體聚合的物質，能夠使液態的光聚合體系轉變為固態[25]。由于光引發劑對光聚合體系的聚合速率起著決定性作用，因此它是光聚合體系的重要組分。我們課題組[6]設計并合成了十種具有α-二羰基結構的苯甲酰甲酸酯類衍生物MBFs (見圖5)，由于MBFs顏色淺并對可見光吸收較弱，有利于光源在光聚合體系中穿透，因此MBFs能夠用于深層光固化。最近，我們課題組[26]在此基礎上報道了一系列苯甲酰甲酸類光引發劑BFAs。羧基的存在顯著改善了光引發劑的水溶性，使BFAs實現水性光聚合體系的深層光固化。如圖6所示，我們合成的對苯二甲酰甲酸甲酯DM-BD-F和對三氟甲基苯甲酰甲酸TF-BFA引發的深層固化可達6.5 cm以上，遠高于商業化光引發劑苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(BAPO) (1.0 cm)。MBFs和BFAs克服了目前光引發劑由于對可見光具有強吸收而帶來的光固化深度小和固化后材料顏色深的缺點，在無色聚合和深層光固化領域具有廣闊的應用前景。

圖5 光引發劑MBFs和BFAs結構

圖6 DM-BD-F和TF-BFA深層固化示意圖

本文介紹的α-二酮類化合物的合成涉及到炔烴的水合反應、炔烴的氧化反應、光催化反應等內容，也是目前有機化學教學內容的拓展。其中，汞鹽催化炔烴氧化為α-二酮的例子可以作為炔烴水合反應的延伸，提升學生舉一反三能力。同時，列舉的α-二羰基化合物的應用以科研反哺教學，能夠開闊學生視野，提高學生學習興趣。