无金属参与的可见光催化醛和铵盐合成腈类化合物

 

腈类化合物不仅广泛应用于生物制药、农药、功能材料等领域，而且是一种重要的有机合成中间体，其合成方法一直备受重视。利用卤代烃与金属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反应和Sandmeyer反应。然而上述两种方法通常需要苛刻的反应条件和剧毒氰化物，环境污染较大。随着人们对环境和能源问题的日益关注，发展更加清洁、高效的芳腈合成方法成为了有机化学领域的重点目标之一。

近年来，由于醛类物质来源广泛、廉价易得，以醛为原料经由氧化反应直接制备氰基化合物已发展成为一种极具优势的途径。醛氧化合成腈常需要当量的活性氧化剂，如I2/叔丁基过氧化氢、过渡金属催化剂（图1a），或使用毒性大且价格昂贵的氮源。为避免上述问题，韩布兴教授课题组报道了一例无金属非均相催化体系，他们以NH3为氮源，在5bar氧气条件下直接实现了醛到腈的转化（图1b）。可见光催化反应相比于传统的加热反应，具有操作简单和节能环保等优点，近年来得到了蓬勃发展，已成功应用于多种化学转换。

最近，Leadbeater课题组在碱性条件下，碳酸铵作为氮源，以三联吡啶钌配合物作为光催化剂，4-乙酰氨基TEMPO作为氧化剂前体，过硫酸铵作为终端氧化剂，实现了光催化醛氧化合成腈（图1c），可惜该体系仍然需要使用贵金属催化剂。

       

图1.醛氧化合成氰基化合物的背景和策略

基于此，吴骊珠院士团队发展了一种温和、绿色、无金属参与的方法来实现醛到芳腈的转化。作者利用有机光催化剂（PC）与催化量氮氧自由基（Cocat.）的协同作用，创建一种双催化剂体系，在可见光照射下，激发态光催化剂与氮氧自由基之间发生电子得失，原位生成氧铵鎓盐可将亚胺氧化成氰基化合物。

作者选用醋酸铵作为氮源，醋酸铵相对于其他氮源（如羟胺或六甲基二硅氮烷（HMDS））来说具有更加稳定、低毒且廉价的优良特点。使用绿色清洁的空气作为终端氧化剂，反应结束后只产生过氧化氢副产物（图1d）。

为了探究上述设想，作者首先使用苯甲醛与醋酸铵作为原料，50 mg活化4Å分子筛作吸水剂进行了条件优化：在光照条件下对不同种类的有机光催化剂、助催化剂、氧源以及溶剂等条件做了筛选。他们发现当以2 mol% 4CzIPN为有机光催化剂，50 mol% TEMPO为助催化剂，空气为氧源，乙腈为溶剂，40 W 的440 nm 蓝光作为光源，反应12 h就可以91%的收率得到目标产物苯甲腈。另外，通过对照实验他们发现光催化剂、助催化剂、空气以及光照是反应发生的必要条件（图2）。

 

a) Reactions were carried out at 0.2 mmol scale in 3 mL CH3CN with 50 mol% Cocat., O2 balloon and 50 mg 4 Å 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 ℃.

图2.反应条件优化

在最优反应条件下，作者又对底物适用范围进行研究（图3）。结果表明，该反应适用于各种含供、吸电子基团的苯甲醛底物；不同杂环芳醛以及带有生物活性结构的芳香醛类底物也能收获中等到优秀的产率；对于醛基与苯环不直接相连的烯丙型底物，反应效果下降较为明显。较为可惜的是，该反应不适用于脂肪醛。作者进一步选定I-5进行了放量实验，所得分离产率为86%。

图3.底物拓展

在确定反应的可行性和适用范围后，作者继而对体系进行了一系列机理方面的研究，并提出了可能的反应机理。如图4所示，激发态光催化剂将TEMPO氧化为具有较强氧化能力的氮氧鎓盐TEMPO+，自身被还原为阴离子自由基，进一步被氧气氧化回到基态，实现光催化剂的循环。同时苯甲醛醛和醋酸铵原位形成的亚胺（III-1）亲核进攻TEMPO+，经由中间体IV-1获得终产物苯甲腈和TEMPOH。后者被超氧阴离子自由基氧化，实现TEMPO的催化循环。

图4.可能的反应机理    

相关成果近期在线发表于Science China Chemistry。博士生何旭及郑艺文博士为文章的共同第一作者，陈彬研究员和吴骊珠院士为共同通讯作者。详细内容见：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.

审核编辑：刘清