光催化有机合成反应进展.docx

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光催化有机合成反应进展

光催化反响在有机合成中的应用

摘　要:

光催化有机合成反响在有机合成化学，特别在一些非常见构造的合成中占有特殊的地位，能大大缩短传统合成化学的步骤而经济实用。

本文主要以天然产物及其中间体的合成，举例介绍光催化有机合成反响。

关键词:

光催化；有机合成；天然产物

THEAPPLICATIONOFPHOTOCHEMISTRY

INORGANICSYNTHESIS

Abstract:

Organicsynthesisofphotochemistryplaysaspecialroleinorganicsynthesis,inparticularconcerningtheproductsofunusualstructure,whichmaybeeconomicallyfeasible.Inthispaper,theorganicsynthesisofphotochemistryanditsstatusaredescribedbyusingparadigmsinsynthesisofnaturalproductsandtheirintermediates.

Keywords:

organicsynthesis;photochemistry;naturalproduct

1972年,FujishimaA等[1]报道采用TiO2光电极和铂电极组成光电化学体系使水分解为氢气和氧气,从而开辟了半导体光催化这一新的领域。

半导体光催化开场研究的目的只是为了实现光电化学太阳能的转化,之后研究的焦点转移到环境光催化领域。

1977年FrankSN等[2-3]首先验证了用半导体TiO2光催化降解水中氰化物的可能性,光催化氧化技术在环保领域中的应用成为研究的热点。

20世纪80年代初期,以Fe2O3沉积TiO2为光催化剂成功地由氢气和氮气光催化合成氨[4],引起了人们对光催化合成的注意。

1983年,芳香卤代烃的光催化羰基化合成反响的实现,开场了光催化在有机合成中的应用[5]。

光催化开环聚合反响、烯烃的光催化环氧化反响等陆续有报道[6-7],光催化有机合成已成为光催化领域的一个重要分支。

光催化是光化学和催化科学的穿插点,一般是指在催化剂参与下的光化学反响。

半导体材料之所以具有光催化特性,是由它的能带构造所决定。

半导体的晶粒含有能带构造,其能带构造通常由一个充满电子的低能价带（valent-band,VB）和一个空的高能导带（conductionband,CB）构成,价带和导带之间由禁带分开,该区域的大小称为禁带宽度,其能差为带隙能,半导体的带隙能一般为0.2~3.0eV。

当用能量等于或大于带隙能的光照射催化剂时,价带上的电子被激发,越过禁带进入导带,同时在价带上产生相应的空穴,即生成电子/空穴对。

由于半导体能带的不连续性,电子和空穴的寿命较长,在电场作用下或通过扩散的方式运动,与吸附在催化剂粒子外表上的物质发生氧化复原反响,或者被外表晶格缺陷俘获。

空穴和电子在催化剂部或外表也可能直接复合[8]。

因此半导体光催化关键步骤是:

催化剂的光激发,光生电子和空穴的迁移和俘获,光生电子和空穴与吸附之间外表电荷迁移以及电子和空穴的体或外表复合[9]。

光催化反响的量子效率低是其难以实用化最为关键的因素。

光催化反响的量子效率取决于电子和空穴的复合几率,而电子和空穴的复合过程那么主要取决于两个因素:

电子和空穴在催化剂外表的俘获过程;外表电荷的迁移过程。

早期光化学家认为光是一种特殊的、能够产生某些反响的试剂。

早在1843年Draper发现氢与氯在气相中可发生光化学反响。

1908年Ciamician利用地中海地区的强烈的进展各种化合物光化学反响的研究，只是当时对反响产物的构造还不能鉴定。

到60年代上半叶,已经有大量的有机光化学反响被发现[10,11]。

60年代后期,随着量子化学在有机化学中的应用和物理测试手段的突破（主要是激光技术与电子技术）,光化学开场飞速开展。

现在,光化学被理解为分子吸收大约200至700纳米围的光,使分子到达电子激发态的化学。

由于光是电磁辐射，光化学研究的是物质与光相互作用引起的变化，因此光化学是化学和物理学的穿插学科。

相应于热化学，光催化有机合成反响的特点如下：

１〕光是一种非常特殊的生态学上清洁的“试剂〞；

２〕光化学反响条件一般比热化学要温和；

３〕光化学反响能提供平安的工业生产环境，因为反响根本上在室温或低于室温下进展；

４〕有机化合物在进展光化学反响时,不需要进展基团保护；

５〕在常规合成中，可通过插入一步光化学反响大大缩短合成路线。

因此,光化学在合成化学中，特别是在天然产物、医药、香料等精细有机合成中具有特别重要的意义。

光催化有机合成反响容非常丰富，以下就天然产物与中间体的合成为主，举例介绍光催化有机合成反响的研究现状。

1烯烃的光异构反响与光重排反响

烯烃参与的光化学反响很多，烯烃的光异构反响与光重排反响主要有一下五类反响。

1.1光诱导顺反异构化反响

烯烃的光诱导顺反异构化反响是非常普遍的光化学反响，在有机合成以及制药工业中有一些成功的实例，如：

在维生素D2类化合物的合成中将反式的化合物前提光异构生成顺式的维生素D2衍生物[12,28]。

1.2光诱导价键异构化反响

光诱导价键异构化反响可方便合成香料或贮能化合物。

如：

降冰片二烯在电子转移或三重态光敏剂存在下,光诱导价键异构反响生成贮能化合物四环烷[13]。

1.3双-（π-甲烷）重排反响

　这类反响很复杂，如1,4－戊二烯类化合物可发生双-（π-甲烷）重排反响,生成乙烯基环丙烷类化学物[14]：

1.4光诱导δ迁移重排反响

δ迁移反响是指共轭烯烃体系中一端的δ键移位到另一端，同时协同发生π键的移位过程，这一过程也经过环状过渡态，但δ迁移的结果不一定生成环状化合物。

根据H原子从碳链上转移的位置，有[10,12]、[10,14]、[10,16]等类型的δ迁移，如下所示：

根据Woodward-Hoffman定那么，光诱导[10,12]，[10,16]δ迁移是同面的，而[1,5]迁移是异面的。

δ键迁移反响是有机光化学中常遇见的一类反响。

例如：

光诱导的单重态与三重态的δ迁移反响生成完全不同的产物[15]。

1.5周环反响

有许多合成实例,其中麦角固醇或7-去氢胆固醇的光照单重态开环反响可分别合成预维生素D2和D3是利用光化学技术最为成功的例子。

预维生素D2或D3进一步发生[10,16]δ迁移重排反响得到维生素D2或D3。

由于光化学次级反响的发生，反响产物很复杂，为高产率得到预维生素D2或D3，直到目前这一反响仍然吸引着光化学家们研究兴趣[16]。

2　光诱导的环合加成

2.1光诱导[2+2]环加成反响

烯烃有着非常丰富的光化学，其中光诱导的[2+2]环加成反响研究最为普遍。

光诱导[2+2]环加成反响可同时引入四个手性中心生成环丁烷，具有很高的转换效率；环丁烷进一步可发生断键、扩环或缩环反响。

因此，在合成化学、机理研究、生物模拟等方面都有应用价值。

反响在分子间与分子都能发生；共轭双键、非共轭双链、羰基与其它杂原子的π2体系上都能进展这种反响，有非常多的合成与应用实例。

如：

呋喃类化合物通过[2+2]环加成反响合成一个四元环状化合物[17]。

2.2杂环双键[4+4]光环合加成反响生成穿插环合物[18]

如:

22吡啶酮类化合物可以通过[4+4]光环合加成反响一步合成一个杂环化合物。

它含有三个环，4个立体中心和四个官能团，这样复杂的化合物，用热化学的方法是非常难以实现的。

3.烯烃的光氧化反响

自然界中有和氧存在的地方都有光氧化反响的发生。

特别是在光敏剂的存在下，使得光氧化反响更加丰富多彩。

光氧化反响的研究在生物学、医学、有机物的降解等方面都有重要的意义，在有机合成上也占有特别重要的位置。

Sch-enck将光敏氧化反响分成两类，即通过电子或质子转移的称Ⅰ型反响；通过能量转移产生单重态氧（1O2）发生的反响称Ⅱ型反响。

1O2的氧化反响具有高度的区域与空间选择性，往往是天然产物合成中的关键步骤。

上述产物很难用热化学方法合成，这些产物进一步转换的产物在合成化学同样很有意义。

3.1烯烃与单线态氧的[1+2]环加成反响

1O2可以与烯烃发生[1+2]环加成反响，生成的1,2-二氧环丁烷，保持原有的立体构型。

除了少数共轭烯烃外，能够发生这种反响的多半是双链上带有杂原子取代基的富电子烯烃，如烯胺、烯醚、烯硫醚等。

生成的二氧杂环丁烷一般不稳定，易于分解为相应的羰基化合物。

例如，由相应的烯胺发生1O2的氧化反响,定量地生成孕甾酮：

3.21O2与烯烃的[1,3]加成反响（“ene〞反响）

1O2与烯烃的[1,3]加成反响伴随着从3位上的夺氢反响，产物仍为烯烃，因此称“ene〞反响。

氧与烯烃的加成与夺氢，总是发生在同面，具有立体专一性，反响不发生消旋，没有E/Z异构化产生，在合成上很重要。

1O2“ene〞反响氧化产物为烯丙基过氧化氢不稳定，一般复原为相应的醇后，再行别离提纯。

烯丙基过氧化氢的转换产物在合成上也会有用。

在一些特殊烯烃为反响物时“ene〞反响氧化产物还可能是环氧化物或其它过氧化物。

“ene〞反响在合成上不乏应用实例，如利用1O2“ene〞反响可使双键移位，由α-蒎烯转化生成β-蒎烯,中间产物无需别离提纯，总产率达42%。

这是当前文献报道中产率高，且较简便的转化方法[19]。

3.3共轭二烯与单线态氧的[1+4]环加成反响

1O2与共轭二烯的[4+2]加成反响生成过氧化物，又可以进一步反响生成一系列其他化合物，在天然产物的合成中十分有用。

由环戊二烯光敏氧化得到1,4过氧化物，然后复原生成其二醇，即为前列腺素和茉莉酮的重要中间[20]。

4　羰基化合物的光化学反响（Norrish反响）

脂肪族醛酮类化合物在230-340纳米区有一特征吸收，这是由于氧原子的非成键2p电子向羰基的反键π轨道跃迁（n→π*）所引起的。

这类化合物受光激发后,可引起

（1）NorrishⅠ型（α-断裂）反响；

（2）NorrishⅡ型（分子光消除）反响；（3）光复原反响；（4）与烯烃的[2+2]光合加成反响。

4.1NorrishⅠ型（α2断裂）反响[21]

在激发态的酮类化合物中，邻接羰基的碳碳键最弱，因此首先在此处断裂，生成酰基和羟基自由基，然后再进一步发生后续反响，该反响称为NorrishⅠ型（α2断裂）反响。

在不对称羰基化合物中，断裂发生在哪一边那么取决于生成自由基稳定性的相对大小。

例如：

通过NorrishⅠ型光解反响，还可以发生异构化、重排等的结果，如：

4.2NorrishⅡ型（分子光消除）反响

当酮的羰基上的一个取代基是丙基或更大的烷基时，光激发的羰基从羰基的γ位夺取氢形成1,4-双自由基，然后分子从α、β处发生键断裂，生成小分子的酮和稀，双自由基也可环化生成环醇。

这一反响称为NorrishⅡ型（分子光消除）反响。

　上述氢迁移反响需要具备一定的空间立体要求，直链酮的氢迁移一般要比酮快20倍。

对环酮来说有一定的立体构造的要求，并不是所有γ氢环酮均能发生氢迁移。

以22正丙基242叔丁基环己酮为例[22]，正丙基与叔丁基处于顺式的可以产生γ氢迁移反响，处于反式的那么不能发生反响：

NorrishⅡ型分子消除反响在有机合成中也有重要意义。

如利用光诱导NorrishⅡ型反响合成醛甾酮类药物[23]。

4.2特殊微环境中的光氧化反响

在一个光敏氧化反响体系中，往往存在着单重态氧和超氧负离子与其它自由基反响的竞争，通过不同反响机制得到的产物各异，对反响产物的分布和别离起决定性作用。

为提高反响的选择性，人们进展了诸多尝试，近年来倍受青睐的是在有序介质和受限制体系中进展光敏氧化反响。

由于有序介质和受限制体系的不均一性，单重态氧的生成过程以及其物理及化学性质存在较大的差异；此外，微观不均一体系为调整敏化剂和底物分子的相对位置提供了可能性，从而可以调控反响历程，提高反响的选择性，在合成化学上很有意义[24,25]。

在用溶胶凝胶为反响介质以DCA为光敏剂时，定量的得到环氧化合物，用硅胶为反响介质以DCA为光敏剂时,定量的得到桥环环过氧化物。

这些方法为光化学合成目的化合物开拓了新思路：

5其它

除上述各类反响外，还有许多光化学反响在合成化学上可应用。

例1双键的溶剂解反响[26]

例29,9’-二芴-9,9’-二醇的光化学反响得到芴酮和螺旋[9H-芴-9,9’（10’-H-）-菲]-10’-酮，后者是第一例在中性溶液中光化学pinacol重排反响产物[27]。

6完毕语

光催化有机合成化学反响在各种杂环的合成中,在扩、缩环反响的应用中，在多种复杂天然物（萜类,生物碱，前列腺素等）的合成中以及在高力的笼状化合物等的合成中，特别是精细有机合成方面取得了很大的成功。

很多这类合成工作都是热化学方法或其他催化方法所不能替代的。

但是,真正在工业生产上获得成功的例子并不多，只有玫瑰醚、维生素D2、D3等有限的几个产品。

随着科学技术的开展，例如：

新能源的开发及各种敏化过程的研究，将会大大促进光化学的开展。

由于其独特优越性和在某些反响中的不可代替性，光催化有机合成化学将越来越多地受到工业界的重视，在工业生产上将进一步取得突破性进展。

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