【Org. Lett.】南昌大学黄程/蔡琥:溶剂控制光/钴协同催化氮杂环无受体脱氢反应
N-杂环的无受体脱氢(CAD)反应作为一种重要的有机转化,在有机合成和液体有机储氢材料开发中得到了广泛应用。然而,有机分子脱氢释放H2通常具有热力学不利性,导致该转化较为困难。此类反应通常需要各种金属或非金属络合物在高温下(> 110℃)催化反应(图1A,a)。近年来,光氧化还原和金属协同催化策略使得此类反应能够在温和条件下实现(图1A,b)。尽管取得了重大进展,但大部分反应通常需要使用昂贵的钌或铱光催化剂。另一方面,N-杂环的CAD过程通常涉及亚胺、烯胺和1,2-二氢喹啉中间体的生成与转化,因此可以通过调控反应中间体来实现发散性合成(图1B)。
图 1 反应设计(来源:Org. Lett.)
南昌大学黄程/蔡琥课题组报道了溶剂控制的光/钴协同催化N-杂环无受体脱氢和脱氢偶联芳构化反应(图1C)。在该光催化体系中,当丙酮作溶剂时,N-杂环可发生脱氢芳构化反应得到杂芳烃产物;当溶剂为DCE时,N-杂环发生脱氢偶联芳构化反应,得到双杂芳烃产物。相关研究成果发表在Organic Letters。
作者以1,2,3,4-四氢喹啉1a作为模板底物,对溶剂、光催化剂等进行了筛选,确定了最佳反应条件(图2)。随后,作者进行了机理研究实验(图3)。首先,研究了4CzIPN与1a的Stern-Volmer荧光淬灭实验,表明1a与4CzIPN之间存在单电子转移(SET),且丙酮中4CzIPN的淬灭程度大于在DCE中的淬灭(图3A)。通过电子顺磁共振(EPR)实验和自由基捕获实验证实了α-胺基自由基的存在(图3B)。接下来,作者进行了反应历程研究(图3C和图3D),实验表明在丙酮溶剂中,N-杂环更易脱氢芳构化;而在DCE中,则有利于N-杂环的脱氢偶联。基于上述机理实验结果,作者提出了可能的反应机理(图3E)。
图2 模板反应(来源:Org. Lett.)
图3 机理研究(来源:Org. Lett.)
随后,作者考察了四氢喹啉(THQ)底物的范围。如图4所示,各种带有烷基、烷氧基和卤素(F、Cl和Br)基团的THQ均有良好的适用性,能够以良好的产率和选择性得到杂芳烃产物(2a-2ad)和双杂芳烃产物(3a-3z)。
图4 底物范围(来源:Org. Lett.)
最后,作者通过药物分子活性片段的修饰(图5A)、连续流动光化学装置开展的放大反应(图5B)以及马来酰亚胺的原位还原氢化反应(图5C),证明了该合成方法的实用性。
图5 合成应用(来源:Org. Lett.)
综上所述,作者利用光/钴协同催化策略,开发了一种溶剂控制N-杂环无受体脱氢/脱氢偶联芳构化反应。该方案能够通过调控反应溶剂来选择性地获得有价值的杂芳烃和双杂芳烃产物,并在温和条件下产生H2。该方案避免了贵金属光催化剂和化学计量外部氧化剂的使用。初步的机理研究表明,该反应涉及还原性淬灭循环,α-氨基自由基的生成。
该工作以“Solvent-Dependent Photocatalytic Acceptorless Dehydrogenation /Dehydrogenation-Coupling-Aromatization of N-Heterocycles”为题发表在Organic Letters(DOI: 10.1021/acs.orglett.5c02735)。论文第一作者为南昌大学博士研究生唐胜,通讯作者为南昌大学黄程副教授和蔡琥教授(论文作者:Cheng Huang, Sheng Tang, Ying Wang, Chen-Lu Wang, Ming-Zhi Du, Jia Qiao, Zhenhong Wei, and Hu Cai)。
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