N-雜環的無受體脫氫（CAD）反應作為一種重要的有機轉化，在有機合成和液體有機儲氫材料開發中得到了廣泛應用。然而，有機分子脫氫釋放H₂通常具有熱力學不利性，導致該轉化較為困難。此類反應通常需要各種金屬或非金屬絡合物在高溫下（> 110 ℃）催化反應（圖1A，a）。近年來，光氧化還原和金屬協同催化策略使得此類反應能夠在溫和條件下實現（圖1A，b）。盡管取得了重大進展，但大部分反應通常需要使用昂貴的釕或銥光催化劑。另一方面，N-雜環的CAD過程通常涉及亞胺、烯胺和1,2-二氫喹啉中間體的生成與轉化，因此可以通過調控反應中間體來實現發散性合成（圖1B）。

近期，南昌大學黃程/蔡琥課題組利用光/鈷協同催化策略，通過調控溶劑，選擇性實現了N-雜環無受體脫氫和脫氫偶聯芳構化反應。在該光催化體系中，當丙酮作溶劑時，N-雜環可發生脫氫芳構化反應得到雜芳烴產物；當溶劑為DCE時，N-雜環發生脫氫偶聯芳構化反應，得到雙雜芳烴產物（圖1C）。

圖1 反應設計

隨后，作者進行了機理研究實驗（圖2）。首先，研究了4CzIPN與1a的Stern-Volmer熒光淬滅實驗，表明1a與4CzIPN之間存在單電子轉移（SET），且丙酮中4CzIPN的淬滅程度大于在DCE中的淬滅（圖2A）。通過電子順磁共振（EPR）實驗和自由基捕獲實驗證實了α-胺基自由基的存在（圖2B）。接下來，作者進行了反應歷程研究（圖2C和圖2D），實驗表明在丙酮溶劑中，N-雜環更易脫氫芳構化；而在DCE中，則有利于N-雜環的脫氫偶聯。基于上述機理實驗結果，作者提出了可能的反應機理（圖2E）。

圖2 機理研究

隨后，作者考察了四氫喹啉（THQ）底物的范圍。如圖3所示，各種帶有烷基、烷氧基和鹵素（F、Cl和Br）基團的THQ均有良好的適用性，能夠以良好的產率和選擇性得到雜芳烴產物（2a-2ad）和雙雜芳烴產物（3a-3z）。

圖3 底物范圍

最后，作者通過藥物分子活性片段的修飾（圖4A）、連續流動光化學裝置開展的放大反應（圖4B）以及馬來酰亞胺的原位還原氫化反應（圖4C），證明了該合成方法的實用性。

綜上所述，作者利用光/鈷協同催化策略，開發了一種溶劑控制N-雜環無受體脫氫/脫氫偶聯芳構化反應。該方案能夠通過調控反應溶劑來選擇性地獲得有價值的雜芳烴和雙雜芳烴產物，并在溫和條件下產生H₂。該方案避免了貴金屬光催化劑和化學計量外部氧化劑的使用。初步的機理研究表明，該反應涉及還原性淬滅循環，α-氨基自由基的生成。

黃程，南昌大學副教授，江西省杰出青年，碩士生導師。長期致力于有機光化學合成技術和連續流動化學技術研究，探索自由基參與的惰性鍵活化反應和新型偶聯反應。主持國家自然科學青年基金項目、江西省自然科學杰出青年基金項目、江西省自然科學青年基金項目、面上項目、南昌大學青年人才培育創新基金項目等。以第一作者或通訊作者身份分別在Chem，Angew. Chem. Int. Ed.，CCS Chemistry, Org. Lett.，Green. Chem.; Chem. Commun., J. Org. Chem., Chem. Eur. J. 等國際期刊上發表SCI論文14篇，獲4個授權的中國專利。

蔡琥，南昌大學化學化工學院教授，博士生導師。1996年和1999年在南京大學獲得碩士學位和博士學位。1999年-2002年到美國田納西大學化學系從事博士后研究。2002年-2004年在美國凱斯西儲大學化學系任副研究員。2004年-2007年在美國堪薩斯大學化學系從事博士后研究。2007年至今到南昌大學化學化工學院工作，主要從事綠色化學與有機功能分子材料的精準合成。目前主持國家自然科學基金4項，參加國家科技部重點基礎研究計劃（973）1項。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., CCS Chemistry, Chem. Commun., Org. Lett. Green Chem.等國內外重要學術刊物上發表論文100余篇，授權發明專利多項。

文獻詳情：

Solvent-Dependent Photocatalytic Acceptorless Dehydrogenation /Dehydrogenation-Coupling-Aromatization of N-Heterocycles

Cheng Huang*, Sheng Tang,Ying Wang, Chen-Lu Wang, Ming-Zhi Du,Jia Qiao,Zhenhong Wei, and Hu Cai*

Organic Letters  DOI: 10.1021/acs.orglett.5c02735

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.5c02735

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