钴催化腈类化合物的氢化转化

不饱和化合物的催化氢化是有机合成中的重要转化之一。与其他合成方法相比，催化氢化反应往往具有原子经济性高、反应条件温和、高转化数、高选择性等优势。目前，发展成熟的催化氢化体系多依赖钌、铑、铱、铂等贵金属。然而，贵金属催化体系通常会受到高毒性、储量匮乏以及价格昂贵等诸多因素的制约，阻碍了这些催化体系在工业生产层面的进一步应用。发展基于锰、铁、钴、镍等廉价金属的催化体系来替代贵金属体系是催化领域的一个持续性研究热点。尽管近些年基于廉价金属的催化体系已经获得了非常重大的研究进展，但仍需开发新的催化剂来满足合成化学对于转化类型、催化活性以及反应选择性的更高要求。

腈类化合物是一类重要的平台分子和合成砌块。其中，腈的催化氢化是制备胺类化合物的重要方法之一。然而，基于钴等廉价金属的催化体系报道较少。另外，腈的催化氢化本身也是一类具有挑战性的转化过程。通常大家认为腈的氢化转化过程是分步进行的：C≡N首先通过第一步加氢生成亚胺中间体，由于亚胺的高亲电活性导致中间体发生多种不同转化，详见图1中所示。因此，如何通过C≡N分步加氢过程来实现高选择性单一胺类产物的合成是具有挑战性的。

图1. 腈的氢化转化

吲哚类结构多存在于药物分子、天然产物以及生物活性分子当中。因此，发展基于吲哚骨架结构的直接官能团化方法一直备受合成化学家的关注。作者在前期的研究工作当中利用Co/P4N2催化体系实现了共轭醛、酮、亚胺以及喹啉类化合物的选择性氢化（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 20424–20433）。在研究过程当中，当选择2-甲基吲哚为底物使用乙腈为反应溶剂时，作者意外获得了2-甲基-3-乙基吲哚产物，而所期望的吲哚氢化并未发生。随后，作者对这一意外发现进行了深入研究，进而成功实现了首例以腈类化合物为烷基化试剂的吲哚3位的还原烷基化反应。

图2. Co/P4N2催化腈的氢化及吲哚的还原烷基化

该催化体系反应条件温和，催化剂前体及所用试剂对水、氧不敏感。更重要的是该催化体系实现了多种不同取代吲哚的还原烷基化。其中，无论芳基腈还是烷基腈均可应用于该催化反应当中。对于腈的直接氢化，该催化体系也表现出了较好的官能团容忍性，可高选择性实现多种伯胺类产物的高效合成。对于反应机理方面，作者基于前期的工作基础及氘代实验和控制实验结果也给出了较为合理的催化循环路径。

这一研究成果近日发表在ACS Catal.上，南方科技大学张绍科博士以及化学与精细化工广东省实验室段亚南助理研究员为本文的共同第一作者，通讯作者为温佳琳研究助理教授和张绪穆教授。该工作得到南方科技大学、国家自然科学基金、广东省自然科学基金以及化学与精细化工广东省实验室青年人才引进项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Cobalt-Catalyzed Hydrogenative Transformation of Nitriles

Shaoke Zhang, Ya-Nan Duan, Yu Qian, Wenyue Tang, Runtong Zhang, Jialin Wen,* and Xumu Zhang*

ACS Catal., 2021, 11, 13761−13767, DOI: 10.1021/acscatal.1c03461