如何利用諾里許反應,在化學合成中創造巨大的突破?

諾里許反應,得名於科學家羅納德·喬治·威瑞福德·諾里許,是一種發生在酮類和醛類上的光化學反應。這種反應可細分為諾里許類型 I 反應和諾里許類型 II 反應,雖然其合成用途有限,但對於聚合物(如聚烯烴、聚酯、某些聚碳酸酯和聚酮)的光氧化卻具有重要意義。

諾里許類型 I 反應

諾里許類型 I 反應是酮類和醛類的光化學裂解反應,其中酮或醛在受到光照後,會形成兩個自由基的中間體(α-斷裂)。在這一過程中,碳基團吸收光子,激發至光化學單重態。通過穿越系統,得以形成三重態。當α-碳鍵的斷裂發生時,即可產生兩個自由基片段。

這些片段的大小和性質取決於生成的自由基的穩定性。

例如,2-丁酮的裂解主要生成乙基自由基,而產生不穩定的甲基自由基的可能性較小。根據分子結構的不同,這些片段可以發生多種次級反應。片段可以簡單地重新結合形成原碳基化合物,並在α-碳的地方進行消旋。當酰基自由基失去一分子的一氧化碳後,則會在另一個α-碳處形成一個新的碳自由基,接著形成新的碳-碳鍵。

這一反應的產物率與酮的α取代基的鍵解離能有關。通常而言,α取代的酮類越多,這一反應從而得到產物的可能性越大。此外,從碳基片段中抽取α-質子旨在形成一種酮烯及一種烷烴,而抽取β-質子則可能會形成醛和烯烴。

這一反應在光聚合領域具有重要意義,特別是在兩光子聚合所需的光引發劑的開發中。

諾里許類型 I 反應在兩光子聚合過程中的作用不可或缺,因為它涉及在紫外光或可見光的激發下,光引發劑分子中碳-碳鍵的斷裂,產生兩個自由基。這些自由基高度活躍,可以有效地促進單體在應用於高分辨率增材製造所需的局部區域聚合。

諾里許類型 II 反應

諾里許類型 II 反應是由激發碳基化合物對γ-氫(距離羰基三個碳位置的氫)進行的光化學內部抽取,產生1,4-二自由基作為初步光產物。該反應首次報導於1937年。在這一過程中,可能會發生次級反應,例如斷裂(β-斷裂)形成烯烴與烯醇(迅速互變為羰基)或兩自由基的內部重組形成取代環丁烷(諾里許-楊反應)。

反應的範圍

諾里許反應的環境化學研究表明,它在大氣中的醛,尤其是正庚醛的光解反應中具有重要意義。在類似大氣條件下的正庚醛光解,形成了62%的1-戊烯和醛類(醛)以及源自諾里許類型 II 通道的環狀醇。還有約10%的生成自類型 I 通道的己醛(最初形成的正己基自由基與氧反應)。

一項研究表明,含有氫四氯金酸(HAuCl4)的水中具有一個酰胺衍生物的光解生成了直徑10納米的納米金顆粒,這是因為諾里許生成的酮氫基自由基將Au3+還原為Au0。

Leo Paquette於1982年合成了十二烯烴,其中涉及到三個獨立的諾里許類型反應,整個合成過程約29步。Phil Baran及其同事在合成具有生物活性的心苷類化合物時,找到了早期的合成從諾里許類型 II 反應開始的方法,並優化了反應條件以最小化副反應,比如競爭類型 I 通道的副反應。

諾里許反應不僅在基礎科學研究中具有重要性,還隨著有機合成的進步,給化學合成過程帶來了如何的變革?

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