【有机】兰州大学许鹏飞课题组Green Chemistry：有机光氧化还原/钴催化实现分子内脱氢胺化反应

导语

C-H/N-H键的直接脱氢偶联在热力学上是能量升高的过程，反应中往往需要加入化学计量的氧化剂作为氢原子受体。近日，兰州大学许鹏飞教授课题组利用协同有机光氧化还原/钴催化策略，发展了一类无氧化剂、无贵金属参与的高效aza-Wacker环化反应，为多种含氮五元杂环的高效构筑提供了绿色、简洁、高效的新方法。相关成果发表在Green Chemistry上（DOI: 10.1039/D2GC02084J）。

前沿科研成果

有机光催化和钴催化协同实现分子内脱氢胺化反应

五元含氮杂环如噁唑啉酮、咪唑啉酮和吡咯啉酮骨架广泛存在于天然产物和药物分子中。传统的钯催化aza-Wacker环化反应是构筑邻位烯基取代的含氮杂环骨架的有效方法，近年来又相继发展了过渡金属铜及光介导的aza-Wacker环化反应，然而该类反应往往需要添加化学计量的氧化试剂作为氢原子受体，以克服反应活化能能垒和移除脱氢过程产生的电子及质子使反应得以发生。此外，如何避免反应过程中还原胺化副反应的发生也是反应的难点所在。因此，设计新的催化体系、发展更加简洁高效的无受体脱氢胺化反应，合成含双键官能团的多类型含氮杂环化合物，具有十分重要的科学研究价值（图1）。

图1. aza-Wacker型环化反应（来源：Green Chemistry）

在反应的初步探索中，使用1a作为模板底物，经过一系列光催化剂、钴催化剂及添加剂筛选后，成功找到了该反应的最优反应条件。进一步通过控制实验证实：可见光照、光催化剂和钴催化剂三者在反应中的必要性（图2）。

图2. 条件优化（来源：Green Chemistry）

（1） 烯基苯胺类底物拓展（图3-1）。

图3-1. 底物拓展（来源：Green Chemistry）

（2） 烯基磺酰胺类底物拓展（图3-2）。

图3-2. 底物拓展（来源：Green Chemistry）

反应机理：光激发下，激发态的[Mes-AcrPh + BF 4- ] * (E 1/2 red = +2.20 V vs. SCE) 单电子氧化N-H键（E ox = +1.86 V vs. SCE for1a）生成氮自由基中间体A，随后发生5-exo-trig环化得到烷基自由基中间体B，进一步在Co催化循环中脱去质子和电子得到目标产物和Co-H物种，Co-H和反应体系中的质子作用释放出氢气生成Co(III)完成催化循环（图4）。

图4. 可能的反应机理

总结与展望：

本文报道了可见光/钴协同催化实现了一类新型无氢受体aza-Wacker环化反应。摒弃了传统脱氢反应中当量氧化剂的使用, 在温和条件下实现分子内碳-氮键直接构筑且氢气是唯一副产物, 不仅避免了因原料或产物对氧化剂敏感而发生的副反应, 而且在规模化生产中具有很高的附加值, 是一种更加绿色的高效、原子经济性合成策略，在工业化生产中有着潜在应用价值。该研究得到国家自然科学基金（21632003、21871116、22071085）、甘肃省重大专项（17ZD2GC011）以及教育部“111”计划项目的大力支持；相关研究成果发表在Green Chemistry上。

许鹏飞课题组简介

兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室许鹏飞老师课题组长期从事催化串联反应、不对称合成与催化、可见光氧化还原催化、新型浮选剂开发等方向，已取得了一系列研究成果；目前已经在Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.、Chem. Sci.、Green Chem.、CCS Chemistry、Science China: Chemistry、Chem. Commun.、Org. Lett.等期刊上发表论文250余篇，在Wiley出版社出版学术专著Catalytic Cascade Reaction；主持包括国家自然科学基金重点项目与面上项目在内的国家级科研项目近20项；在应用研究领域，密切联系地方企业、关注企业技术需求，为金川集团等地方企业提供了有力的帮助与指导；承担大型国企委托项目10余项，获授权国家发明专利8件。

许鹏飞教授简介

许鹏飞教授（Professor Peng-Fei Xu）, 兰州大学萃英二级教授、博士生导师、享受国务院政府特殊津贴；1987、1994与1998年分别于兰州大学获得学士、硕士与博士学位；在台湾中兴大学，日本名古屋大学先后进行博士后研究、客座研究员与访问教授；作为第一完成人于2010、2014、2019年先后获两项甘肃省自然科学一等奖与科技进步一等奖；2014年度获全国宝钢优秀教师奖；2016年度获兰州大学国华杰出学者奖；2021年第一完成人获甘肃省教学成果特等奖，以第二完成人获甘肃省教学成果一等奖两项（2014、2016）；2021年入选甘肃省拔尖领军人才。

关于人物与科研

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