目前對有機分子引入一個碳原子的方法，通常形成一個不飽和C(sp)中心的平面分子。如何引入一個由4個σ-C-C鍵的C(sp3)碳能夠形成三維結構，目前仍然沒有合適的方法。
有鑒于此，多特蒙德工業大學Max M. Hansmann等報道重氮硫葉立德試劑Ph2S=C=N2，用于構筑螺環碳原子位點。Ph2S=C=N2試劑結合了硫葉立德和重氮的反應性，實現一種普適性的方法，一步反應安裝C(sp3)原子，構筑螺環碳原子中心。這種方法能夠在C(sp3)原子位點生成新C-C化學鍵和C-X化學鍵（X=O或N），并且能夠拓展為一步反應形成四個C-C σ化學鍵，并且不必使用過渡金屬催化劑。此外，Ph2SCN2能夠合成高應力(氧雜)螺環[2.2]戊烷、三環螺環化合物。
重氮硫葉立德的制備、結構、理論研究
最近，作者研究發現Ph3P=C=PPh3能夠與N2O和Ph3P=O通過Ph3P/N2交換反應生成Ph3P=C=N2?？紤]到磷葉立德和硫葉立德的結構近似性（R3P=[C] vs R2S=[C]），以Ph2S=C=PPh3 (2a)作為反應物，通過與N2O反應合成Ph2S=C=N2 (3)。
將磷鹽1a與KHMDS發生脫質子反應，得到P/S葉立德2a，產率為57%。隨后2a與N2O進行反應（-78 ℃到室溫），并且通過31P NMR表征和原位紅外光譜表征，說明生成Ph3P=O (4a)。
通過Ph3P=O 4a反應分離重氮硫葉立德3非常困難和挑戰性，但是使用2b葉立德非常方便，并且通過簡單清洗分離得到淡黃色固體3，產率84%。通過X射線晶體學表征研究3的晶體結構（圖2B）。其中S1-C1化學鍵長度（1.727(2) ?）比反應物（2b）更長（1.684(3) ?）。C1-N1化學鍵長度（1.286(3) ?）比Ph3PCN2更長（1.268(5) ?），N1-N2化學鍵（1.151(3) ?）比Ph3PCN2化學鍵長度（1.159(5) ?）短，這表明分子容易釋放N2。
13C NMR表征結果表明中心碳原子的位置為21.3 ppm，并且通過13C標記實驗（Ph2S13CN2）驗證，使用原子軌道理論計算驗證。如圖2C所示，為進一步理解Ph3P/N2對Ph2S/N2的優異交換反應選擇性，通過DFT理論計算進行理解和驗證。
反應性研究：(3+2)環加成和C(sp3)原子轉移
如圖3所示為3的連續C(sp3)-原子轉移反應。
π受體修飾的烯烴。3與π受體修飾的烯烴反應能夠在室溫下幾分鐘內完成反應（圖3，step A），比如使用N-甲基馬來酰亞胺反應，在15 min內以91 %分離產率生成吡唑硫葉立德5a。含有酯基的1,1-雙取代烯烴（5b-5d）、三取代/四取代烯烴（5e和5f）都能夠干凈的生成環加成產物。
非π受體修飾的烯烴同樣兼容。降冰片烯能夠以單一的exo立體選擇性（91%）生成5g，甚至環戊烯能夠緩慢的反應（4天）生成環加成產物5h（31%）。但是，環己烯、1-辛烯沒有反應活性。惰性的苯乙烯衍生物需要更長的反應時間（5i和5j反應需要48h，5k反應需要15min），并且得到適中或者較好的產率（59-71 %）（5i-5k）。雜芳烴以及氟取代烯烴能夠發生（3+2）環加成生成5l-5n。
如果與單一取代烯烴或者1,2-雙取代烯烴進行更長時間反應，能夠以較好的產率（49-99 %）得到官能團修飾的吡唑化合物6a-6f。在這種反應過程中，快速發生的（3+2）環加成之后進行比較緩慢的1,3-質子轉移和Ph2S消除，因此得到芳香吡唑（圖3，step B）。5g和5h不發生芳構化生成吡唑，這是因為C-H鍵的酸性較低。通過低溫NMR研究驗證了逐步（3+2）環加成反應機理。
圖4. 通過逐步C(sp3)原子轉移合成螺環[2.2]戊烷（step B1和step C1）、氧雜螺環[2.2]戊烷（step B2和step C2）
隨后，研究了分子之中未反應的S葉立德部分的環丙烷化反應（圖4，step B1），以及連續C(sp3)原子轉移反應（圖4，step C1）。發現該反應能夠合成15種螺環[2.2]戊烷（7a-7o），一般在130 ℃下反應得到。N2平穩的脫除后，能夠得到高度取代修飾的螺環[2.2]戊烷化合物8a，8c，8e-8o，并且得到優異的產率。概念驗證測試了一鍋合成，以大批量穩定的1a作為反應物在反應中原位生成3，隨后不分離中間體，逐步加入兩種不同烯烴，能夠以97%的產率（561 mg）生成環丙烷化產物7e。高溫處理脫除N2發生C原子轉移，以85%的產率（413 mg）生成8e。
S-葉立德能夠用于合成環氧化物。因此，測試3作為反應物合成螺環環氧化物的能力。概念驗證了硫葉立德（5i和5k）能夠與甲醛或者雜芳基醛反應生成螺環-雜環化合物9a-9e，并且得到較好或者優異的產率（69-95%，圖4，step B）。對于非取代環氧化物9a和9b，驗證能夠熱處理釋放N2反應，生成氧雜螺環[2.2]戊烷（10a和10b），并且得到較高的產率91%（圖4，step C2）。芳基環氧化物（9c-9e）能夠以優異的產率（90-94%）得到修飾取代基的環丁酮（11a-11c），并且能夠通過一步合成螺環結構化合物，產率為45%（11d）。
反應性：一步反應螺環-C(sp3)原子轉移
圖5. 一步反應螺環-C(sp3)原子轉移合成橋式螺環戊烷
由連續反應生成氧雜螺環[2.2]戊烷反應性的啟發，開發了一步反應螺環C(sp3)原子轉移，以受體修飾的1,5-己二烯（12a-12d）作為反應物，能夠對同一個分子內進行環加成和環丙烷化。在室溫反應30 min后，3能夠與二甲基或二乙基修飾的2,5-二亞甲基己二酸酯反應，一步獲得結構復雜的三環螺環戊烷化合物13a和13b，產率為69-72%（圖5）。鄰位-芳基橋蓮二烯能夠以85%的產率會生成三環結構化合物（13c）。C原子轉移反應能夠用于不對稱雙原子反應物，生成含有酯/腈基的三環[4.1.0.01,3]庚烷（13d）。
環尺寸變化以及修飾雜原子的反應。使用系拴三個原子的結構能夠以高產率合成雜原子取代修飾三環[5.1.0.01,3]辛烷（15e-15g），并且在分子中引入3個立體中心。由于三環中間體的環張力降低，因此沒有發現自發去除N2。結構不對稱的二烯烴能夠生成三環15i，該反應在酯取代烯烴發生(3+2)環加成反應，但是在腈取代烯烴上發生環丙烷化。
使用含有O、S雜原子的1,6-庚二烯在加熱后能夠以適中的產率生成橋狀螺環三環化合物13e-13g，而且反應不必分離中間體。使用N-tosyl橋反應能夠生成三環結構15h，并且反應能夠放大量合成（67%，516 mg）。在70 ℃下加熱時，以較低的產率（15%）生成三環化合物13h，但是主要產物是雙環化合物14h。對15h使用370 nm LED光照，能夠以81%的產率生成順式-三環[5.1.0.01,3]辛烷13h（順式:反式選擇性=9:1）。
總結
這項研究開發了重氮硫葉立德化合物Ph2S=C=N2 (3)作為一種用途廣泛的C(sp3)原子轉移試劑，能夠以分步或者一步反應在高張力螺環碳原子上構筑多達4個C-C化學鍵，反應能夠快速合成氧雜螺環戊烷（(Oxa)spiropentanes），或者構筑含有氧雜螺環戊烷的剛性三環化合物骨架。
這項研究有可能促進開發新型C(sp3)原子轉移反應，快速合成先進的3D分子骨架結構，將C原子轉移反應用于主族化學或者過渡金屬化學等領域。
參考文獻
Qiu Sun et al. , Spiro-C(sp3)-atom transfer: Creating rigid three-dimensional structures with Ph2SCN2.Science387,885-892(2025).
DOI: 10.1126/science.ads5974
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads5974
