先簡要介紹一下Tehshik P. Yoon教授：他于1992-1996年在哈佛大學讀本科，導師David A. Evans教授，1996-1998年在加州理工學院讀碩士，導師Erick M. Carreira，1998-2000年在加州大學伯克利分校、2000-2002年在加州理工學院讀博士，導師David W. C. MacMillan，2002-2005年在哈佛大學做博士后，導師Eric N. Jacobsen。可以看出，Tehshik P. Yoon教授一路走來都是名師大咖指導，2005年開始在威斯康星大學麥迪遜分校獨立開展工作，主要研究方向是敞口反應體系中有機反應中間體（如雜原子自由基、烯烴自由基離子、激發(fā)的有機三線態(tài)等）在合成中的應用，尤其是在光反應領域做出了許多卓越的貢獻。浙江大學化學系的青年千人陸展研究員就曾經(jīng)在Tehshik P. Yoon教授課題組做過博士后。

Yoon 教授 圖片來源：Yoon 教授課題組主頁

接下來欣賞一下這篇Science文章，如圖1A所示，2013年，Bach等人報道了在手性催化劑1作用下、光催化的不對稱分子內烯酮和烯烴的[2+2]環(huán)加成反應，產(chǎn)率84%，ee值可以達到88%（Science, 2013, 342, 840）。但該反應底物僅適用于環(huán)烯酮類底物，而普通的烯酮底物反應效果不理想。基于前人的工作，Tehshik P. Yoon教授設想通過Lewis算的活化，在光照條件下激發(fā)到三線態(tài)，從而實現(xiàn)普通的烯酮與烯烴的[2+2]環(huán)加成反應（圖1B）。

圖 1 前人的工作及作者的設想

如圖2所示，作者以苯基取代的烯酮化合物2和2,3-二甲基丁二烯3為底物進行了反應條件的篩選和優(yōu)化，最終得到反應的最優(yōu)條件是：使用Ru(bpy)₃(PF₆)₂作光敏劑，(S,S)-t-Bu-PyBox 8作配體，Sc(OTf)₃作Lewis酸，i-PrOAc:MeCN (3:1)作混合溶劑，室溫反應，能以89%的收率和93%的ee值得到[2+2]環(huán)加成產(chǎn)物4(entry 12)。

圖 2 反應條件的篩選和優(yōu)化

接下來是底物的擴展，在最佳反應條件下，作者對不同取代的烯酮和1,3-丁二烯類底物進行了考察（圖 3），可以看出，當芳環(huán)上帶有Cl、Br、OMe、OH或者呋喃等取代基時都可以兼容，不同的二烯（17,18,19）也都可以很好地發(fā)生反應。12個底物都產(chǎn)率良好，對應選擇性優(yōu)良。 

圖 3 底物的擴展

為了更好地理解反應機理，作者設計了一系列對照實驗（圖 4）。當采用缺電子的光敏劑20代替之前的光敏劑8  Ru(bpy)₃(PF₆)₂時，仍然能以67%的收率和94%的ee值得到環(huán)化產(chǎn)物4，從而排除了先對烯酮進行光還原的歷程（圖4A）。當選用單電子還原劑如SmI₂、Cp₂Co、Li(naph)、TDAE或單電子氧化劑如CAN、K₃Fe(CN)₆、Fe(acac)₃、Mn(OAc)₃和Sc(OTf)₃搭配時，反應不能發(fā)生（圖 4B）。當使用二苯乙二酮21代替Ru(bpy)₃(PF₆)₂時，反應仍然可以45%的收率和89%的ee值得到環(huán)化產(chǎn)物4，但反應速率變慢（圖4C）。綜合以上結果，作者認為反應很可能是經(jīng)Lewis酸催化的三線態(tài)能量轉移的過程。

圖 4 對照實驗

作者還通過計算化學和實驗方法研究了Lewis酸與底物作用降低三線態(tài)能量的具體過程（圖5）。當?shù)孜镂磁cSc(OTf)₃作用時，基態(tài)（S0）與第一激發(fā)三重態(tài)（T1）的能量差高達51 kcal/mol（計算值），54 kcal/mol（實驗值），而配位后能量差降至32 kcal/mol（計算值），33 kcal/mol（實驗值），降低了21 kcal/mol（54 kcal/mol vs 33 kcal/mol, 圖5A）。作者還進一步研究了三線態(tài)能量的近紅外光譜性質，不加入Sc(OTf)₃時，即使在800 nm波段范圍內幾乎觀察不到紅外發(fā)射信號。加入Sc(OTf)₃后，876 nm處有很強的發(fā)射光譜峰。同時作者發(fā)現(xiàn)，體系中含氧時，可發(fā)生發(fā)射光譜部分淬滅（圖 5B 藍線）。

總結

Tehshik P. Yoon教授課題組報道了Lewis酸（三氟甲磺酸鈧）和手性配體催化的烯酮與丁二烯中烯烴的不對稱[2+2]環(huán)加成反應，并闡明了反應可能的機理。該反應條件溫和，產(chǎn)率良好，對映選擇性優(yōu)秀，在有機合成中將具有重要應用價值。