正文
N-雜環(huán)的無受體脫氫(CAD)反應(yīng)作為一種重要的有機(jī)轉(zhuǎn)化,在有機(jī)合成和液體有機(jī)儲氫材料開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。然而,有機(jī)分子脫氫釋放H2通常具有熱力學(xué)不利性,導(dǎo)致該轉(zhuǎn)化較為困難。此類反應(yīng)通常需要各種金屬或非金屬絡(luò)合物在高溫下(> 110 ℃)催化反應(yīng)(圖1A,a)。近年來,光氧化還原和金屬協(xié)同催化策略使得此類反應(yīng)能夠在溫和條件下實(shí)現(xiàn)(圖1A,b)。盡管取得了重大進(jìn)展,但大部分反應(yīng)通常需要使用昂貴的釕或銥光催化劑。另一方面,N-雜環(huán)的CAD過程通常涉及亞胺、烯胺和1,2-二氫喹啉中間體的生成與轉(zhuǎn)化,因此可以通過調(diào)控反應(yīng)中間體來實(shí)現(xiàn)發(fā)散性合成(圖1B)。
近期,南昌大學(xué)黃程/蔡琥課題組利用光/鈷協(xié)同催化策略,通過調(diào)控溶劑,選擇性實(shí)現(xiàn)了N-雜環(huán)無受體脫氫和脫氫偶聯(lián)芳構(gòu)化反應(yīng)。在該光催化體系中,當(dāng)丙酮作溶劑時(shí),N-雜環(huán)可發(fā)生脫氫芳構(gòu)化反應(yīng)得到雜芳烴產(chǎn)物;當(dāng)溶劑為DCE時(shí),N-雜環(huán)發(fā)生脫氫偶聯(lián)芳構(gòu)化反應(yīng),得到雙雜芳烴產(chǎn)物(圖1C)。
圖1 反應(yīng)設(shè)計(jì)
隨后,作者進(jìn)行了機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)(圖2)。首先,研究了4CzIPN與1a的Stern-Volmer熒光淬滅實(shí)驗(yàn),表明1a與4CzIPN之間存在單電子轉(zhuǎn)移(SET),且丙酮中4CzIPN的淬滅程度大于在DCE中的淬滅(圖2A)。通過電子順磁共振(EPR)實(shí)驗(yàn)和自由基捕獲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了α-胺基自由基的存在(圖2B)。接下來,作者進(jìn)行了反應(yīng)歷程研究(圖2C和圖2D),實(shí)驗(yàn)表明在丙酮溶劑中,N-雜環(huán)更易脫氫芳構(gòu)化;而在DCE中,則有利于N-雜環(huán)的脫氫偶聯(lián)?;谏鲜鰴C(jī)理實(shí)驗(yàn)結(jié)果,作者提出了可能的反應(yīng)機(jī)理(圖2E)。
圖2 機(jī)理研究
隨后,作者考察了四氫喹啉(THQ)底物的范圍。如圖3所示,各種帶有烷基、烷氧基和鹵素(F、Cl和Br)基團(tuán)的THQ均有良好的適用性,能夠以良好的產(chǎn)率和選擇性得到雜芳烴產(chǎn)物(2a-2ad)和雙雜芳烴產(chǎn)物(3a-3z)。
圖3 底物范圍
最后,作者通過藥物分子活性片段的修飾(圖4A)、連續(xù)流動光化學(xué)裝置開展的放大反應(yīng)(圖4B)以及馬來酰亞胺的原位還原氫化反應(yīng)(圖4C),證明了該合成方法的實(shí)用性。
小結(jié)
綜上所述,作者利用光/鈷協(xié)同催化策略,開發(fā)了一種溶劑控制N-雜環(huán)無受體脫氫/脫氫偶聯(lián)芳構(gòu)化反應(yīng)。該方案能夠通過調(diào)控反應(yīng)溶劑來選擇性地獲得有價(jià)值的雜芳烴和雙雜芳烴產(chǎn)物,并在溫和條件下產(chǎn)生H2。該方案避免了貴金屬光催化劑和化學(xué)計(jì)量外部氧化劑的使用。初步的機(jī)理研究表明,該反應(yīng)涉及還原性淬滅循環(huán),α-氨基自由基的生成。
作者簡介
黃程,南昌大學(xué)副教授,江西省杰出青年,碩士生導(dǎo)師。長期致力于有機(jī)光化學(xué)合成技術(shù)和連續(xù)流動化學(xué)技術(shù)研究,探索自由基參與的惰性鍵活化反應(yīng)和新型偶聯(lián)反應(yīng)。主持國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目、江西省自然科學(xué)杰出青年基金項(xiàng)目、江西省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、南昌大學(xué)青年人才培育創(chuàng)新基金項(xiàng)目等。以第一作者或通訊作者身份分別在Chem,Angew. Chem. Int. Ed.,CCS Chemistry, Org. Lett.,Green. Chem.; Chem. Commun., J. Org. Chem., Chem. Eur. J. 等國際期刊上發(fā)表SCI論文14篇,獲4個(gè)授權(quán)的中國專利。
蔡琥,南昌大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師。1996年和1999年在南京大學(xué)獲得碩士學(xué)位和博士學(xué)位。1999年-2002年到美國田納西大學(xué)化學(xué)系從事博士后研究。2002年-2004年在美國凱斯西儲大學(xué)化學(xué)系任副研究員。2004年-2007年在美國堪薩斯大學(xué)化學(xué)系從事博士后研究。2007年至今到南昌大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院工作,主要從事綠色化學(xué)與有機(jī)功能分子材料的精準(zhǔn)合成。目前主持國家自然科學(xué)基金4項(xiàng),參加國家科技部重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973)1項(xiàng)。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., CCS Chemistry, Chem. Commun., Org. Lett. Green Chem.等國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文100余篇,授權(quán)發(fā)明專利多項(xiàng)。
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