淮北师范大学周超/王磊团队ADVANCED SCIENCE：光氧化还原协同双氢原子转移实现C(sp³)–S键构筑硫酯类化合物

Wiley

2025-09-23

研究背景

含硫化合物在药物研发、生理代谢及农业领域具有关键作用。硫酯键(R-C(=O)-S-R') 广泛存在于生命体系(如乙酰辅酶A) 和众多药物分子中。据美国FDA统计，十大畅销药物中有七种含硫基团。该类化合物在生理学、药理学与农业领域扮演重要角色，其高效合成长期备受关注。传统方法多依赖于金属催化或高温条件，开发温和的无金属催化体系仍然具有挑战。目前，光催化策略虽已被用于构筑C–S 键，但实现sp³碳-硫高效偶联及拓展硫源范围仍是亟待解决的问题。因此，发展高效、温和、经济的C(sp³)–S键构建方法，尤其是通过无金属催化从简易原料合成硫酯类骨架，是合成化学的研究热点。

文章概述

近日，淮北师范大学周超博士/王磊教授团队首次提出多硫化物阴离子(K₂S_x) 在作为还原型光催化剂的同时还可以作为硫源试剂，创新性地结合氧化型光催化剂四丁基铵十钨酸盐(TBADT) 与还原型光催化剂(K₂S_x)，开发了一种双催化体系协同策略，通过光氧化还原与双氢原子转移(DHAT) 过程，以自由基交叉偶联方式实现了高效构建C(sp³)–S 键的新方法。通过密度泛函理论计算模拟验证在该反应中经历的过渡态中间体，为反应机理探究提供数据支撑。该反应在室温、紫外光照射下进行，无需过渡金属催化剂，原子经济性高，副产物仅为H₂S (通过气相色谱验证)，以绿色高效、模块化、高产率合成结构多样化的硫酯类衍生物。

图文导读

在最佳反应条件下，对该双催化协同体系下不同的醛类和含C(sp³)–H键的底物进行衍生评估。在苯环的邻、间、对位上无论是吸电子基团还是供电子基团，在该策略中均由较高的兼容性。此外。脂肪碳链的长度和环状烷烃对体系无影响，分离得到相应的产物产率良好。值得一提的是，乙腈、四氢呋喃和1,4-二氧六环作为溶剂进行反应时，都能够以较高的收率得到硫酯类产物。该光催化策略对45种底物展示出较好的反应普适性，体现其具有较高的催化活性和潜力。

Reaction conditions: aldehyde (0.1 mmol),K₂S_x (2, 0.1 mmol), TBADT (5.0 mol%), TFA (1.5 equiv.), C(sp³)–H partner (2.5 mL) as well as solvent, N2, UV light (365 nm, 3 W) irradiation, rt, 24 h, isolated yield of the product.

图1.反应底物拓展。

在最佳条件下，通过自由基捕捉实验及其HPLC-HRMS分析检测数据分析，表明该反应历程涉及自由基途径。此外，硫代苯甲酸也能很好的兼容反应体系，推断硫代苯甲酸可能是反应中间体。随后，Stern-Volmer 荧光猝灭实验显示随着苯甲醛浓度的增加，丙酮中TBADT 的荧光发射强度被淬灭的更加明显。在光学吸收测量实验中，含有TBADT 和K₂S_x的共混合乙腈溶液使紫外/可见吸收光谱中发生红移，

图2.机理探究。

在紫外区(325–375 nm) 有明显的吸收。表明实验数据和光照过程中所用的波长范围是一致的。为了阐明双催化体系的反应机理，采用密度泛函理论(DFT) 方法进行量子化学计算，进一步为机理循环提供数据支撑。

根据机理探究，我们提出了可能的机理循环。首先，十钨酸盐A ([W₁₀O₃₂]⁴⁻)受到光诱导，跃迁为具有强氧化性的激发态B (*[W₁₀O₃₂]⁴⁻)后，通过氢原子转移(HAT)过程从醛中攫取一个氢原子，生成C (H+[W₁₀O₃₂]⁵⁻)和苯甲酰自由基D；随着Sn*的形成，自由基D与Sn*生成羰基硫化物自由基H。此外，丙酮在B (*[W₁₀O₃₂]⁴⁻)促进下经过HAT历程生成相应的自由基E，再与羰基硫化物自由基H交叉偶联生成目标产物硫酯。另一方面，I和V在紫外光照射下生成激发态II和VI后，具有较高的还原能力。随后，激发态[S3]*和(H+[W₁₀O₃₂]⁵⁻)发生单电子转移(SET)过程，在生成III的同时完成TBADT的催化循环。同时，F被VI 还原生成Sn和S2-阴离子，并与H+结合释放出气体硫化氢，经Agilent气相色谱硫化学发光检测器证实。最后，IV和III经过SET历程完成K2Sx的催化循环。

图3.反应机理。

结论

周超博士/王磊教授团队开发了一种非常高效的双催化体系，首次以光催化氧化还原和双氢原子转移(DHAT) 过程，从商业上可得的醛、多硫阴离子(K₂S_x) 和含有C(sp³)–H的简单烷烃类化合物合成结构多样的硫酯类衍生物。该策略利用K₂S_x作为硫源试剂的前驱体和还原性光催化剂，与TBADT协同作用，通过自由基交叉偶联反应催化C(sp³)–S键的形成，具有重大的创新意义。此外，该策略通过一系列的功能化底物证明了官能团的耐受性和广泛的底物范围，为有机合成、药物和功能材料领域的开发及应用提供重要的理论研究和实验支撑。

期刊简介

Advanced Science 是Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果，所有文章均可免费获取。被Medline收录，PubMed可查。最新影响因子为17.521，中科院2021年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。