NaI/PPh3介导的硝基芳烃的光化学还原和胺化

硝基芳烃是稳定、低成本且容易获得的起始材料，直接利用硝基芳烃合成高附加值的含氮化合物具有重要意义。硝基芳烃还原为苯胺是一个重要的反应，因为苯胺是制备染料、药物和农用化学品的核心组成部分。目前，通过使用化学计量还原剂非催化还原硝基芳烃获得功能化苯胺是主要的商业途径，但这些方法存在选择性差、严重环境污染问题。近日，湘潭大学化学学院黄华文副教授课题组报道了基于NaI和PPh₃组合的温和无过渡金属和光敏剂的光氧化还原体系，实现硝基芳烃的光化学还原和胺化反应，相关成果在线发表于Org. Lett.（DOI：10.1021/acs.orglett.1c01654）。 

 

前沿科研成果：NaI/PPh₃介导的硝基芳烃的光化学还原和胺化  

硝基芳烃催化还原的传统方法主要依赖于过渡金属（TM）催化直接加氢或氢转移、电催化水氧化以及可持续的可见光诱导光催化（图1a）。另一方面，2-硝基双芳烃的分子内还原胺化，即所谓的Cadogan反应（图1b），传统上的方法是在热条件下用化学计量的三苯基膦，而最近使用格氏试剂和基于过渡金属催化剂或磷杂环烷烃催化剂的催化方案的温和工艺。基于此，湘潭大学黄华文副教授等人报道了基于NaI和使用催化量或当量的PPh₃的组合从而是实现硝基芳烃的光化学还原和胺化（图1c）。该体系具有不需要过渡金属催化剂、温和的反应条件、具有广泛官能团耐受性的充足底物范围、高化学选择性等特点；包括DFT计算在内的机理研究表明：硝基芳烃与NaI和PPh₃形成了电子给体-受体（EDA）络合物。  

 

图1. 催化硝基芳烃还原和分子内胺化（Cadogan 反应）  

（来源：Org. Lett.）  

 

首先，作者以2-硝基联苯作为原料进行条件筛选和优化，最终以40 mol% NaI和20 mol% PPh₃为催化剂、2.0 equiv. PhSiH₃为还原剂、以2.0 mLCHCl₃为溶剂、氩气氛围中用35 W蓝光LED在60 ^oC下照射72 h，以98%的产率得到目标还原产物2-氨基联苯（2a）；另外，使用40 mol% NaI为催化剂、2.5 equiv. PPh₃为还原剂、以2.0 mL二氧六环为溶剂，氩气氛围中用35 W蓝光LED在60 ^oC下照射72 h，以78%的产率得到目标胺化产物咔唑（3a）。  

随后，作者考察了NaI/PPh₃介导的硝基芳烃的光化学还原的底物适用范围。如图2所示，各种取代的硝基芳烃，特别是具有可还原的官能团均能很好的反应。在该体系中对于带有吸电子或供电子的底物能高选择性的提供还原产物，同时对于具有可还原的官能团，如卤素（F、Cl、Br、I）、醛、酮、羧基以及氰基等，还原也仅仅发生在硝基上。另外，作者也考察了杂环，如硝基吡啶、8-硝基喹啉都能能够顺利进行反应。  

 

图2. NaI/PPh₃介导硝基芳烃光还原的底物范围考察  

（来源：Org. Lett.）  

   

接着，作者对NaI/PPh₃介导的邻硝基双芳烃的分子内光化学胺化的底物适用范围进行了考察。如图3所示，当使用取代的邻硝基二芳烃，如氯、氰基、酯、酰胺和甲酰基，都能以中等至良好的收率得到咔唑目标产物。值得注意的是，当连接邻氟苯基，没有发生 C-F胺化。当反应底物中具有萘基部分、氮杂环等，在该体系下合成了萘并咔唑、氮杂咔唑、氮杂苯并咔唑、吡啶并吲唑以及吲哚等一系列氮杂环产物。  

 

图3. NaI/PPh₃介导邻硝基芳烃光还原胺化的底物范围考察  

（来源：Org. Lett.）  

   

为了探究该反应的机理，作者对NaI/PPh3介导的可见光催化硝基芳烃还原历程进行了深入的研究。如图4所示，通过对模型反应的原料1a、NaI和PPh₃的各种组合进行紫外可见光谱吸收实验（图4a），结果表明在邻硝基联苯参与下，单一组分或组合在可见光区显示吸收，起始波长约为440 nm。此外，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算（图4b），结果表明，在没有碘化物添加剂的情况下，贫电子硝基芳烃1a和富电子PPh₃通过库仑吸引力相互作用，P-O距离为3.57 Å，π-π相互作用，最短π堆积距离约为3.44 Å。这种组装导致形成原子转移复合物 Int-1（2.2 kcal/mol）。另一方面，额外的NaI似乎对1a和PPh₃的相互作用有轻微影响，但它与1a和PPh₃的库仑相互作用形成了新的原子转移复合物 Int-2（1.7 kcal/mol）。复合物Int-2预计会吸收光子以启动第一次脱氧过程。此外，对Int-2激发态的相关DFT (TD-DFT) 计算表明，S₀到S₄的激发对应吸收峰为558 nm。该峰几乎完全具有从 I-PPh₃片段到PhNO₂片段（HOMO-3到LUMO）的电荷转移激发特性（98%）。  

 

图4.（a）反应物混合物的紫外-可见吸收光谱；（b）Int-2的预测激发态分子轨道图  

（来源：Org. Lett.）  

   

为了获得更多关于NaI/PPh₃介导的硝基芳烃还原的机理信息，作者后续进行了一些控制实验。如图5所示，首先，在标准条件下缩短反应时间到12小时，发现苯胺（2z）唯一的还原产物，回收了主要的硝基苯（1z），而未观察到潜在的中间产物，如亚硝基苯（4）、偶氮苯（5）和偶氮苯（6）（图5a）。此外，当这些化合物代替1z处在标准条件下时，在有或没有光照射下的所有情况下都没有形成目标产物苯胺（图5 b-d）。这些结果表明硝基芳烃的存在可能是中间产物后期还原的关键因素。因此，化合物4-6用催化量的额外1-溴-4-硝基苯处理（图5 e-g）。苯胺确实是这些反应中的主要产物。由此我们推测：硝基苯、NaI和PPh₃的组合形成 EDA复合物，它吸收光子不仅分解成亚硝基苯或Ph-N(OH)中间体，而且还转移能量以实现中间产物的后期还原。  

 

 

图5. 控制实验  

（来源：Org. Lett.）  

   

综上所述，作者报道了一种硝基芳烃与NaI和PPh₃的结合产生EDA复合物，该复合物吸收光子以实现硝基芳烃的还原氢化。这种温和的光氧化还原催化系统已被证明对硝基还原具有高度选择性，因为其中包含可还原的官能团不被还原。由于化学计量的PPh₃起到了能量转移引发剂和电子供体的双重作用，无光催化剂的NaI/PPh₃介导的光催化也被用作邻硝基联芳烃Cadogan型还原胺化的有效方法。