卡宾（carbene）是碳原子连有两个基团，同时还有两个未成键电子的高活性中间体，一般以R₂C:表示。卡宾转移反应在环加成、重排以及C-H或X-H键插入反应中具有重要应用。人们通常利用稀有过渡金属（如铑、铱和金）与相应的前体反应，形成金属卡宾中间体（图1）。重氮烷烃释放氮气以后可用于多种卡宾转移反应，是卡宾前体的理想选择。但是稀有过渡金属价格昂贵、回收困难、易造成环境污染，不利于实际应用。另外，传统有机合成中常以紫外光照射重氮烷烃制备卡宾，而紫外光能量较高，容易发生副反应。尽管重氮烷烃能够吸收可见光，但基于可见光照射的卡宾转移反应仍未得到充分研究。低能量光诱导卡宾转移反应无需过渡金属催化剂，其优势在于能够深入研究反应的过渡态（例如Doyle-Kirmse反应）和反应机理。

图1. 蓝光诱导与传统的重氮烷烃的卡宾转移反应。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

最近，德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的Rene M. Koenigs教授等人通过低能量蓝光诱导的方式，利用供体-受体型重氮烷烃化合物形成卡宾物种。该过程无需催化剂、操作简单、条件温和，并且形成的卡宾能高效率地与炔烃发生环丙烯化反应以及与硫醚发生重排反应。相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

图2. Rene M. Koenigs教授。图片来源：RWTH Aachen University

稀有金属（Rh^II、Au^III、Ir^I、Ag^I）催化剂参与卡宾和炔烃的环丙烯化反应已有诸多报道，Valdés等人还以磺酰腙作为卡宾来源，报道了无金属参与的环丙烯化过程，反应只需加热便可完成，但产率不够理想，且底物适用范围有限。作者认为重氮烷烃在低能量光照时可能生成卡宾物种，然后在无需催化剂的条件下卡宾可与炔烃发生环丙烯化发应。为了验证该方法的可行性，作者以苯乙炔1和重氮酯2为模板底物对反应条件进行优化（图3）。他们发现，使用注射泵将重氮酯溶液逐滴加入到10当量的苯乙炔溶液中具有最佳的反应效果，环丙烯化合物3的产率最高时达97%（图3，entry 5）。对照实验发现，无光照时即使反应时间增加也不能得到产物，由此证明光照在该反应中的重要性。与传统过渡金属催化的环丙烯化反应相比，该过程操作简单，不受湿度和氧气影响，能够在分析级溶剂中进行。

图3. 环丙烯化反应的条件优化。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在最佳实验条件下，作者又研究了该方法得到的卡宾与不同末端炔烃的环丙烯化反应（图4）。结果证明在蓝光照射下以末端芳炔为底物时，反应能够高产率地制备环丙烯化合物（3-17）。无论取代基是卤素、吸电子基团还是给电子基团，反应均可顺利进行，产物产率较高。而底物是杂环化合物如乙炔基噻吩时产物是混合物，以炔基吡啶为底物时得不到相应的环丙烯化合物（35, 36），可能是因为亲电的卡宾与亲核的硫或氮原子形成叶立德，由此生成副产物。对于双取代的炔烃化合物，环丙烯产物的产率也很高，比如烷基和芳基取代的炔烃化合物（19, 20）、1,2-二芳基炔烃（21, 22）、TMS保护的炔烃化合物（17, 18）。另外，不同的给受体重氮烷烃化合物也可以进行环丙烯化反应（23-33）。为了进一步证明该反应的适用性，作者又研究了硫化物与卡宾分子通过σ重排生成硫叶立德的反应。结果显示在该光化学条件下，硫化丙烯能进行[2,3]-σ重排反应（Doyle-Kirmse反应）（37-45）。对于传统过渡金属催化的Doyle-Kirmse反应，叶立德是游离的，但是还不能排除它与金属离子结合（图5）。作者发现烯丙基硫醚衍生物46在该光化学条件下反应能得到σ重排目标产物48，对映体比例为60:40，比过渡金属催化的结果好，为重排反应中硫叶立德是游离的提供了依据。另外，作者发现该反应可以在连续流动体系中进行，并且优化条件之后反应时间可以缩短到30 min，产物3的产率每小时可达144 mg，比分批处理的结果还要高36倍。

图4. 蓝光诱导卡宾转移反应的适用范围。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

图5. 在金属催化或蓝光照射下的σ键迁移重排反应。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

最后，作者研究了该光化学反应的机理。Platz等人曾利用UV-Vis和红外光谱研究紫外光诱导的分子内环丙烯化反应，发现该反应中经历了单线态卡宾分子的环丙烯化反应，只有少量的三线态卡宾分子形成。作者认为该工作的反应机理为重氮烷先光解生成亲电的单线态卡宾分子，随后与亲核试剂进行反应（如环丙烯化反应、重排反应）（图6）。

图6. 蓝光诱导卡宾转移反应的机理。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

总结

Rene M. Koenigs教授等人提出在低能量蓝光的照射下由供体-受体型重氮烷烃化合物制备卡宾分子的过程，操作简单、无需过渡金属催化剂，并且可以实现硫化物的重排反应和多种炔烃的环丙烯化反应。该方法能够用于连续流动和批量处理反应体系。另外，该方法还能用于证明Doyle-Kirmse反应中中间体为游离的叶立德。总的来说，该工作实现了利用光化学进行卡宾转移反应，在有机合成、药物开发和农业化学等领域有很重要的应用前景。