研究背景
硝基芳烴作為一種廣泛存在的化學(xué)原料，在有機(jī)合成、醫(yī)藥、農(nóng)化及功能材料等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。與傳統(tǒng)的芳香族化合物相比，硝基芳烴因其容易通過電親電子取代反應(yīng)進(jìn)行高效合成，具有較為廣泛的底物適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，成為了合成中重要的中間體。然而，硝基芳烴的CAr–NO2鍵具有較高的惰性，導(dǎo)致其在未活化的情況下難以直接進(jìn)行脫硝取代反應(yīng)，因此傳統(tǒng)上依賴于還原、重氮化以及桑德梅耶反應(yīng)等多步序列進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這不僅存在較低的原子經(jīng)濟(jì)性，還可能生成大量廢物，并且在某些步驟中存在爆炸性重氮鹽中間體的安全隱患。因此，如何實(shí)現(xiàn)硝基芳烴的高效、環(huán)保的直接轉(zhuǎn)化，仍然是一個(gè)亟待解決的挑戰(zhàn)。
為此，華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院葉飛教授團(tuán)隊(duì)和香港中文大學(xué)（深圳校區(qū)）成貴娟教授合作在“Nature Chemistry”期刊上發(fā)表了題為“Light-promoted aromatic denitrative chlorination”的最新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的可見光照射下的脫硝氯化反應(yīng)，該方法能夠在溫和條件下直接斷裂CAr–NO2鍵，將氯自由基引入硝基芳烴分子中，實(shí)現(xiàn)了高效的氯化反應(yīng)。
這一反應(yīng)不僅適用于多種未活化的硝基芳烴和硝基烯烴，而且對(duì)空氣和水分不敏感，可在十克規(guī)模下順利進(jìn)行。通過這一創(chuàng)新的反應(yīng)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)成功地?cái)U(kuò)展了硝基芳烴的應(yīng)用范圍，避免了傳統(tǒng)熱條件下親核芳香取代反應(yīng)的高溫和強(qiáng)堿性條件，大大提升了反應(yīng)的效率和選擇性。此外，密度泛函理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了這一反應(yīng)的可能路徑，為該方法的機(jī)制提供了理論依據(jù)。
研究亮點(diǎn)
1.實(shí)驗(yàn)首次開發(fā)了可見光照射下的通用脫硝氯化反應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了未活化硝基芳烴的脫硝氯化轉(zhuǎn)化。該反應(yīng)利用氯自由基通過斷裂CAr–NO2鍵替代硝基基團(tuán)，開辟了新的反應(yīng)路徑。
2.實(shí)驗(yàn)通過密度泛函理論計(jì)算分析了反應(yīng)機(jī)制，揭示了脫硝氯化反應(yīng)的可能路徑。這些計(jì)算結(jié)果為進(jìn)一步理解該反應(yīng)的合成機(jī)理提供了理論支持。
3.該方法適用于多種未活化的硝基芳烴和硝基烯烴，且在空氣和水分條件下穩(wěn)定，不需要貴金屬催化劑或光還原催化劑，克服了傳統(tǒng)親核芳香取代反應(yīng)對(duì)反應(yīng)底物和條件的苛刻要求。
4.該轉(zhuǎn)化方法在十克規(guī)模下順利進(jìn)行，表明其具有可擴(kuò)展性，適用于大規(guī)模合成。與傳統(tǒng)的熱條件下的親核芳香取代反應(yīng)相比，該方法操作簡(jiǎn)便，適用范圍更廣。
圖文解讀
圖1：硝基芳烴轉(zhuǎn)化策略
圖2：合成應(yīng)用示例
圖3：機(jī)理研究。
圖4：脫硝氯化反應(yīng)的能量剖面
結(jié)論展望
總之，本文開發(fā)了一種實(shí)用的策略，通過可見光照射下的直接芳香脫硝氯化反應(yīng)，在沒有貴金屬和額外光還原催化劑的情況下替代NO2基團(tuán)，展示了廣泛的底物范圍和良好的官能團(tuán)耐受性。該方法能夠很好地適用于多種富電子硝基芳烴、未活化的硝基雜環(huán)化合物和硝基烯烴。此外，該反應(yīng)具有操作簡(jiǎn)便和可擴(kuò)展性，是構(gòu)建CAr–Cl鍵的實(shí)用補(bǔ)充。總體而言，NO2基團(tuán)作為離去基團(tuán)在光照條件下斷裂CAr–NO2鍵，提供了一種獨(dú)特的方法，用于電子無偏硝基芳烴的芳香修改，為硝基芳烴的轉(zhuǎn)化提供了替代路徑。
原文詳情：
Liang, T., Lyu, Z., Wang, Y. et al. Light-promoted aromatic denitrative chlorination. Nat. Chem. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41557-024-01728-1
