无外加光敏化剂条件下可见光诱导的氧化甲酰化反应

通过有机分子中的C-H键的活化和官能化构建新的C-C键和C-杂原子键为有机化合物的合成提供了新的合成策略。然而，由于其相对惰性，C-H键的选择性活化和官能化仍然是有机合成中的一个挑战。除了在适当的导向基团存在下由过渡金属参与转化进行的C(sp²)-H的活化外，活化C(sp³)-H键更困难。一般活化的方法是通过自由基途径来实现，由于它们键能较高，不易断裂，通常需要一个邻近基团如苯基、含氮或氧杂原子的基团来活化，所产生的自由基通过邻近的苯基或杂原子形成π-共轭体系或孤对电子而稳定。

近年来，各种可见光诱导的有机转化通过单电子转移，能量转移或氢原子转移过程受到广泛的关注,目前已有较多的在光敏剂存在下可见光促进的C-C键和C-杂键的生成反应。为了避免使用外加光催化剂（或称光敏化剂），利用底物或原位产生的电子供体-受体络合物以及形成的产物作为吸光物质进行光诱导有机反应已有报道。淮北师范大学王磊（点击查看介绍）、李品华（点击查看介绍）教授团队在自己工作的基础上（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 8374–8377；Green Chem., 2016, 18, 6373–6379；Chem. Commun., 2016, 52, 1462–1465；Org. Lett., 2017, 19, 3386–3389；Adv. Synth. Catal., 2017, 359, 443–453），最新报道了在室温条件下可见光诱导的无外加光敏剂的情况下N-烷基/N-丙炔基苯胺与氧气的氧化甲酰化反应，以良好收率得到相应的甲酰胺。该方法通过空气氧化选择性裂解C-C键将亚甲基（CH₂）转化为甲酰基。

研究开始，作者利用N,N-二丙炔基苯胺为模板底物，空气中的氧气作为氧化剂，420–425 nm的蓝光作为光源，丙酮为溶剂，室温条件下，反应18小时以76%的收率得到目标产物。该反应具有良好的底物适用性，可以兼容多种官能团，如吸电子基团氟、氯、溴、碘、酯基、氰基等，在最佳反应条件下，能以中等以上的收率得到相应的目标产物。芳环上连有供电子基团如甲基、乙基、异丙基、叔丁基、甲氧基等时反应也能很好的进行，以较高的收率得到目标产物（Scheme 1）。

Scheme1. N-烷基-N-丙炔基苯胺的底物扩展范围

为了进一步探究底物的广谱性，对各种氮上连有相同取代基的胺类进行研究，N,N-二丙烯基苯胺，N,N-二-4-甲基丙炔基苯胺，N,N-二-4-苯基丙炔基苯胺和4-溴-N,N-二丁炔基苯胺都能顺利反应，产物收率中等（Scheme 2）。

Scheme 2. N,N-取代基苯胺的底物适宜范围

作者对该反应的机理做了研究。自由基捕捉实验和氧同位素标记实验分别说明了该反应经历自由基历程，且产物中的氧来自于氧气（Scheme 3）。

Scheme 3. 自由基捕捉实验和氧同位素标记实验

为了确认反应过程中氧气是以哪种形态参与反应，使用DMPO和2,2,6,6-四甲基哌啶（TEMP）分别用来捕获O₂^•−和¹O₂，顺磁测试（ESR）实验结果表明；分别可以明显观察到O₂^•−与DMPO的加合物的强特征信号和¹O₂与TEMP的加合物的强特征信号，说明在反应体系中，有O₂^•−和¹O₂的共同存在并参与反应。通过底物和产物的紫外可见吸收光谱表明，底物和产物在蓝光下均有吸收，而且其相应产物的摩尔吸光系数远大于相应底物的摩尔吸光系数，说明产物的光敏化增强作用。基于以上实验结果，提出了反应的可能机理（Scheme 4）。

Scheme 4. 可能的反应机理

—— 总结 ——

王磊、李品华教授团队报道了在无外加光敏化剂条件下，可见光诱导的N,N-二丙炔基苯胺的氧化甲酰化反应。机理探究实验证明该反应的底物和产物在蓝光照射下均可作为光敏化剂，通过能量转移诱导三线态氧产生单线态氧。该反应策略简单温和，通过空气氧化，选择性的断裂C–C键将亚甲基（CH₂）转化为醛。

这一成果近期发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者是淮北师范大学化学与材料科学学院的硕士毕业生纪王勤（现在华东师范大学攻读博士学位）。

该论文作者为：Wangqin Ji, Pinhua Li, Shuai Yang, and Lei Wang

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Visible-Light-Induced Oxidative Formylation of N-Alkyl-N-(prop-2-yn-1-yl)anilines with Molecular Oxygen in the Absence of an External Photosensitizer

Chem. Commun., 2017, 53, 8482–8485, DOI: 10.1039/c7cc03693k

导师介绍

王磊

http://www.x-mol.com/university/faculty/37981

李品华

http://www.x-mol.com/university/faculty/37984