無金屬參與的可見光催化醛和銨鹽合成腈類化合物

腈類化合物不僅廣泛應(yīng)用于生物制藥、農(nóng)藥、功能材料等領(lǐng)域，而且是一種重要的有機(jī)合成中間體，其合成方法一直備受重視。利用鹵代烴與金屬氰化物作用是合成芳腈化合物的常用方法，主要包括Rosenmund-von Braun反應(yīng)和Sandmeyer反應(yīng)。然而上述兩種方法通常需要苛刻的反應(yīng)條件和劇毒氰化物，環(huán)境污染較大。隨著人們對環(huán)境和能源問題的日益關(guān)注，發(fā)展更加清潔、高效的芳腈合成方法成為了有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)目標(biāo)之一。

近年來，由于醛類物質(zhì)來源廣泛、廉價(jià)易得，以醛為原料經(jīng)由氧化反應(yīng)直接制備氰基化合物已發(fā)展成為一種極具優(yōu)勢的途徑。醛氧化合成腈常需要當(dāng)量的活性氧化劑，如I2/叔丁基過氧化氫、過渡金屬催化劑（圖1a），或使用毒性大且價(jià)格昂貴的氮源。為避免上述問題，韓布興教授課題組報(bào)道了一例無金屬非均相催化體系，他們以NH3為氮源，在5bar氧氣條件下直接實(shí)現(xiàn)了醛到腈的轉(zhuǎn)化（圖1b）?？梢姽獯呋磻?yīng)相比于傳統(tǒng)的加熱反應(yīng)，具有操作簡單和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了蓬勃發(fā)展，已成功應(yīng)用于多種化學(xué)轉(zhuǎn)換。

最近，Leadbeater課題組在堿性條件下，碳酸銨作為氮源，以三聯(lián)吡啶釕配合物作為光催化劑，4-乙酰氨基TEMPO作為氧化劑前體，過硫酸銨作為終端氧化劑，實(shí)現(xiàn)了光催化醛氧化合成腈（圖1c），可惜該體系仍然需要使用貴金屬催化劑。

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圖1.醛氧化合成氰基化合物的背景和策略

基于此，吳驪珠院士團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種溫和、綠色、無金屬參與的方法來實(shí)現(xiàn)醛到芳腈的轉(zhuǎn)化。作者利用有機(jī)光催化劑（PC）與催化量氮氧自由基（Cocat.）的協(xié)同作用，創(chuàng)建一種雙催化劑體系，在可見光照射下，激發(fā)態(tài)光催化劑與氮氧自由基之間發(fā)生電子得失，原位生成氧銨鎓鹽可將亞胺氧化成氰基化合物。

作者選用醋酸銨作為氮源，醋酸銨相對于其他氮源（如羥胺或六甲基二硅氮烷（HMDS））來說具有更加穩(wěn)定、低毒且廉價(jià)的優(yōu)良特點(diǎn)。使用綠色清潔的空氣作為終端氧化劑，反應(yīng)結(jié)束后只產(chǎn)生過氧化氫副產(chǎn)物（圖1d）。

為了探究上述設(shè)想，作者首先使用苯甲醛與醋酸銨作為原料，50 mg活化4?分子篩作吸水劑進(jìn)行了條件優(yōu)化：在光照條件下對不同種類的有機(jī)光催化劑、助催化劑、氧源以及溶劑等條件做了篩選。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)以2 mol% 4CzIPN為有機(jī)光催化劑，50 mol% TEMPO為助催化劑，空氣為氧源，乙腈為溶劑，40 W 的440 nm 藍(lán)光作為光源，反應(yīng)12 h就可以91%的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物苯甲腈。另外，通過對照實(shí)驗(yàn)他們發(fā)現(xiàn)光催化劑、助催化劑、空氣以及光照是反應(yīng)發(fā)生的必要條件（圖2）。

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a) Reactions were carried out at 0.2 mmol scale in 3 mL CH3CN with 50 mol% Cocat., O2 balloon and 50 mg 4 ? molecular sieves upon 440 nm blue LEDs irradiation for 12 h. b) Yields were obtained from the crude and filtered reaction mixture by GC-FID with n-tetradecane as the internal standard. c) No light, heat up to 60 ℃.

圖2.反應(yīng)條件優(yōu)化

在最優(yōu)反應(yīng)條件下，作者又對底物適用范圍進(jìn)行研究（圖3）。結(jié)果表明，該反應(yīng)適用于各種含供、吸電子基團(tuán)的苯甲醛底物；不同雜環(huán)芳醛以及帶有生物活性結(jié)構(gòu)的芳香醛類底物也能收獲中等到優(yōu)秀的產(chǎn)率；對于醛基與苯環(huán)不直接相連的烯丙型底物，反應(yīng)效果下降較為明顯。較為可惜的是，該反應(yīng)不適用于脂肪醛。作者進(jìn)一步選定I-5進(jìn)行了放量實(shí)驗(yàn)，所得分離產(chǎn)率為86%。

圖3.底物拓展

在確定反應(yīng)的可行性和適用范圍后，作者繼而對體系進(jìn)行了一系列機(jī)理方面的研究，并提出了可能的反應(yīng)機(jī)理。如圖4所示，激發(fā)態(tài)光催化劑將TEMPO氧化為具有較強(qiáng)氧化能力的氮氧鎓鹽TEMPO+，自身被還原為陰離子自由基，進(jìn)一步被氧氣氧化回到基態(tài)，實(shí)現(xiàn)光催化劑的循環(huán)。同時(shí)苯甲醛醛和醋酸銨原位形成的亞胺（III-1）親核進(jìn)攻TEMPO+，經(jīng)由中間體IV-1獲得終產(chǎn)物苯甲腈和TEMPOH。后者被超氧陰離子自由基氧化，實(shí)現(xiàn)TEMPO的催化循環(huán)。

圖4.可能的反應(yīng)機(jī)理

相關(guān)成果近期在線發(fā)表于Science China Chemistry。博士生何旭及鄭藝文博士為文章的共同第一作者，陳彬研究員和吳驪珠院士為共同通訊作者。詳細(xì)內(nèi)容見：Xu He, Yi-Wen Zheng, Bin Chen, Chen-Ho Tung, Li-Zhu WU. Metal-free synthesis of nitriles from aldehydes and ammonium by visible-light photocatalysis. Sci. China. Chem., 2023, DOI: 10.1007/s11426-023-1748-4.

審核編輯：劉清