如何利用诺里许反应,在化学合成中创造巨大的突破?

诺里许反应,得名于科学家罗纳德·乔治·威瑞福德·诺里许,是一种发生在酮类和醛类上的光化学反应。这种反应可细分为诺里许类型I 反应和诺里许类型II 反应,虽然其合成用途有限,但对于聚合物(如聚烯烃、聚酯、某些聚碳酸酯和聚酮)的光氧化却具有重要意义。

诺里许类型 I 反应

诺里许类型 I 反应是酮类和醛类的光化学裂解反应,其中酮或醛在受到光照后,会形成两个自由基的中间体(α-断裂)。在这一过程中,碳基团吸收光子,激发至光化学单重态。通过穿越系统,得以形成三重态。当α-碳键的断裂发生时,即可产生两个自由基片段。

这些片段的大小和性质取决于生成的自由基的稳定性。

例如,2-丁酮的裂解主要生成乙基自由基,而产生不稳定的甲基自由基的可能性较小。根据分子结构的不同,这些片段可以发生多种次级反应。片段可以简单地重新结合形成原碳基化合物,并在α-碳的地方进行消旋。当酰基自由基失去一分子的一氧化碳后,则会在另一个α-碳处形成一个新的碳自由基,接着形成新的碳-碳键。

这一反应的产物率与酮的α取代基的键解离能有关。通常而言,α取代的酮类越多,这一反应从而得到产物的可能性越大。此外,从碳基片段中抽取α-质子旨在形成一种酮烯及一种烷烃,而抽取β-质子则可能会形成醛和烯烃。

这一反应在光聚合领域具有重要意义,特别是在两光子聚合所需的光引发剂的开发中。

诺里许类型 I 反应在两光子聚合过程中的作用不可或缺,因为它涉及在紫外光或可见光的激发下,光引发剂分子中碳-碳键的断裂,产生两个自由基。这些自由基高度活跃,可以有效地促进单体在应用于高分辨率增材制造所需的局部区域聚合。

诺里许类型 II 反应

诺里许类型 II 反应是由激发碳基化合物对γ-氢(距离羰基三个碳位置的氢)进行的光化学内部抽取,产生1,4-二自由基作为初步光产物。该反应首次报导于1937年。在这一过程中,可能会发生次级反应,例如断裂(β-断裂)形成烯烃与烯醇(迅速互变为羰基)或两自由基的内部重组形成取代环丁烷(诺里许-杨反应)。

反应的范围

诺里许反应的环境化学研究表明,它在大气中的醛,尤其是正庚醛的光解反应中具有重要意义。在类似大气条件下的正庚醛光解,形成了62%的1-戊烯和醛类(醛)以及源自诺里许类型 II 通道的环状醇。还有约10%的生成自类型 I 通道的己醛(最初形成的正己基自由基与氧反应)。

一项研究表明,含有氢四氯金酸(HAuCl4)的水中具有一个酰胺衍生物的光解生成了直径10纳米的纳米金颗粒,这是因为诺里许生成的酮氢基自由基将Au3+还原为Au0。

Leo Paquette于1982年合成了十二烯烃,其中涉及到三个独立的诺里许类型反应,整个合成过程约29步。Phil Baran及其同事在合成具有生物活性的心苷类化合物时,找到了早期的合成从诺里许类型II 反应开始的方法,并优化了反应条件以最小化副反应,比如竞争类型I 通道的副反应。

诺里许反应不仅在基础科学研究中具有重要性,还随着有机合成的进步,给化学合成过程带来了如何的变革?

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