光催化再登Nature：精彩，一個分子實現四次催化循環！
微著
2020-08-12
第一作者：Shashikant U. Dighe
1．設計了光催化/Co催化雙催化協同體系，通過有機脂肪胺、NH3作為胺源，脂肪酮等羰基化合物作為反應物。含苯胺的分子是2019年所報道的10種最重要的醫藥分子中占據3個分子，分別是Eliquis、Revlimid、Xarelto，并且銷售額達到$280億。同時苯胺類分子是聚氨酯類材料重要的前體分子物種，聚氨酯類材料廣泛應用于滑板和過山車的車輪，有彈性的織物和可壓縮泡沫等。這些都是高價值的產品，因此合成和制備苯胺類分子受到化學工作者的廣泛關注。1. 簡單的苯胺類分子通常是通過苯、甲苯、二甲苯等從石油中得到的，通過苯類分子在酸性條件中修飾硝基NO2，并進行還原反應實現（圖1a）。2. 通過Buchwald-Hartwig偶聯反應，在含鹵的二甲苯衍生物等有機物中通過強堿性環境中或者復雜的金屬催化劑條件中反應，通常使用該類過程得到復雜芳烴分子只有當分子中本身含有芳烴環結構（圖1b）。圖1. 有機芳胺合成方法總結（a~b. 傳統方法 c.本文開發的方法）日前，曼徹斯特大學DanieleLeonori等報道了通過光、Ir/Co兩種過渡金屬催化劑合成苯胺類分子的工作，該類分子是用于醫藥、農藥、染料、電子學材料、聚合物等領域的關鍵物種。加州大學圣迭戈分校Valerie A. Schmidt對此項工作在Nature上進行評述和總結。該方法學通過羰基烷烴化合物和有機胺反應構建含有C-N鍵的烯胺分子，該烯胺分子中不含芳環結構，有意思的是該分子容易在Ir光催化劑催化中被氧化，失去電子生成烯胺自由基分子，隨后在Co催化劑的作用中逐步消除多個氫原子，生成苯胺。該反應可以稱作脫氫芳化胺化反應。該方法通過非芳烴類前體分子得到苯胺類分子。反應實施。通過1.0倍量4-甲基環己酮、1.2倍量有機胺作為反應物，2 mol % [Ir(dtbpy)(ppy)2]PF6作為光催化劑，4 mol %Co(dmgH)2(DMAP)Cl作為催化劑，加入20 mol % AcOH作為Br?nsted酸，加入1.5倍量DABCO作為堿，在30~40 ℃中CH3CN溶液和藍光（440 nm, Kessil PR 160）光照中進行催化反應，實現了80 %的產物產率。
作者測試了該方法學中對含芳基（富電子芳基、缺電子芳基）的環己胺、氧雜環己胺，剛性螺環烷、環丙烷等一級脂肪胺底物的反應，都能以中等至較高的產率獲得產物（圖3）；對羰基原料底物的種類進行拓展，同樣顯示了當羰基底物中含有烷基、氰基、氟、醚、Boc保護的胺基、CF3，含有N雜芳基、呋喃、噻吩等雜芳環的環狀羰基底物有中等到較高的產率（圖4）。
此外，本方法同樣適用于NH3作為反應物的情況，通過使用NH3的甲醇溶劑加入到反應中，對多種復雜分子實現了脫氫胺基化反應（圖5）。該合成具有較大的效率和效益，比如在二氫香芹酮（77）或薄荷酮（78）的脫氫胺基化反應中，二氫香芹酮（77）和薄荷酮（78）的價格分別為$ 1.7/g和$ 1.3/g，通過NH3進行脫氫芳基化胺化反應得到的81和82產物價格分別為$ 685/g和$ 851/g。
反應機理（圖6）。N,O-雜環己烷和4-甲基環己酮在酸性條件中生成烯胺enamine中間體A，隨后在激發的Ir*光催化劑作用中烯胺形成自由基B，隨后消除H+，生成β-烯胺自由基C；同時，Ir*奪取烯胺分子中的電子還原為Ir(II)，隨后Ir(II)通過和Co(III)進行氧化還原反應，生成Ir(III)和Co(II)；Co(II)和自由基C反應，Co(II)奪取C中的氫形成Co(III)-H和二烯胺dienamine。隨后再一次和Ir(III)*進行氧化還原反應，生成δ-二烯胺自由基E，并在Co(II)作用中消除H，得到苯環結構分子產物3。該反應的副反應產物為H2O和H2。
Daniele Leonori教授，2010年于謝菲爾德大學獲得博士學位（導師：Prof. IainColdham），2010~2011年于亞琛工業大學作博士后研究員（合作導師：Prof. Magnus Rueping），2011~2012年于馬克斯普朗克膠體與界面研究所做博士后研究員（合作導師：Prof. Peter H. Seeberger），2012~2014年于布里斯托大學做博士后研究員（合作導師：Prof. Varinder K. Aggarwal）。2014年入職曼徹斯特大學。研究領域：探索和開發新型催化合成方法，特別是通過N中心自由基構建C-N鍵。Dighe, S. U., Juliá, F., Luridiana, A., Douglas,J. J. & Leonori, D.*A photochemical dehydrogenative strategy foraniline synthesis, Nature 584, 75–81 (2020).DOI：10.1038/s41586-020-2539-7https://www.nature.com/articles/s41586-020-2539-7Reactions for making widely used anilinecompounds break norms of synthesis, Nature 584, 46-47 (2020)DOI：10.1038/d41586-020-02283-8https://www.nature.com/articles/d41586-020-02283-8
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