研究通讯

碘苯二乙酸介导的二芳基胺类化合物N—N自偶联反应研究

  • 张迁 ,
  • 王靖雅 ,
  • 杨嘉成 ,
  • 刘冬霞 ,
  • 樊彦青 , * ,
  • 阿布都热西提•阿布力克木 , *
展开
  • 新疆师范大学化学系 乌鲁木齐 830054

收稿日期: 2026-01-05

  网络出版日期: 2026-03-04

基金资助

国家自然科学基金(22161046)

Studies on the N—N Homo-coupling Reaction of Diarylamine Compounds Mediated by Iodobenzene Diacetic Acid

  • Qian Zhang ,
  • Jingya Wang ,
  • Jiacheng Yang ,
  • Dongxia Liu ,
  • Yanqing Fan , * ,
  • Abudu Rexit Abulikemu , *
Expand
  • Department of Chemistry, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China

Received date: 2026-01-05

  Online published: 2026-03-04

Supported by

National Natural Science Foundation of China(22161046)

摘要

N—N键作为一种重要的化学键, 广泛存在于多种天然产物、有机功能材料和药物分子中, 并发挥着至关重要的作用. 开发了一种简便且高效的合成方法, 采用廉价易得的碘苯二乙酸(PIDA)作为氧化剂, 1,2-二氯乙烷作为溶剂, 60 ℃下实现了二芳基胺类化合物的N—N自偶联反应. 此过程无需金属催化剂和配体参与, 以优异的产率成功制备了肼类化合物. 该方法反应条件温和、操作简便、底物适用范围广, 尤其适用于具有大位阻和大分子取代基的二芳基胺类化合物. 这一策略为肼类化合物的合成提供了一种简便、温和且经济的新途径.

本文引用格式

张迁 , 王靖雅 , 杨嘉成 , 刘冬霞 , 樊彦青 , 阿布都热西提•阿布力克木 . 碘苯二乙酸介导的二芳基胺类化合物N—N自偶联反应研究[J]. 化学学报, 2026 , 84(4) : 465 -470 . DOI: 10.6023/A26010004

Abstract

N—N bond, as an important chemical bond, is widely present in various natural products, organic functional materials, and drug molecules, and plays a crucial role. Although there were various synthetic methods for the formation of N—N bonds, the aforementioned reported coupling methods typically rely on expensive oxidants, metal catalysts, noble metal electrodes, expensive light sources, non-environmentally friendly solvents. Therefore, developing efficient, green, and widely applicable N—N bond construction methods has always been one of the research hotspots in the field of organic synthesis. A simple and efficient N—N self coupling reaction synthesis method based on the structural characteristics of diarylamine compounds was developed. This method uses inexpensive and readily available iodobenzene diacetic acid (PIDA) as an environmentally friendly oxidant, and 1,2-dichloroethane (DCE) as a reaction solvent to achieve selective oxidative self coupling between diarylamine molecules under mild conditions at 60 ℃, with a yield of 94%. The reaction system does not require any metal catalysts or additional ligands, making the operation simple and the post-treatment convenient. It effectively avoids the potential residual and toxicity issues associated with traditional metal reagents. Experimental results show that this strategy can efficiently construct a series of hydrazine compounds, including mono- and poly-substituted electron-donating groups, with excellent yields. Moreover, this reaction is particularly suitable for diarylamine substrates with bulky functional groups (such as tert-butyl, poly-substituted aromatic rings, and large fluorescent groups), achieving high yields and effectively solving the problem of difficult synthesis of diarylamines with bulky functional groups. It can still maintain good reactivity and chemical selectivity, demonstrating a wide range of substrate applicability. In summary, this study has established a novel strategy for constructing N—N bonds that is mild in reaction conditions, easy to operate, and economically feasible. This not only provides a greener and more efficient pathway for the synthesis of hydrazine compounds, but also offers new ideas and practical tools for the later modification and structural diversification of functional molecules and drug intermediates.

1 引言

N—N键的构建在有机合成化学中具有重要作用和重要地位. N—N键构建的肼类化合物具有高生物活性和优异的反应性, 广泛存在于天然产物[1]、生物医药[2]、光电材料[3]以及手性分子[4]中, 并且在药物研发、能量传递及染料等方面也具有广泛的应用[5](图1).
图1 含取代肼类化合物示例

Figure 1 Examples of substituted hydrazine-containing compounds

1921年, Tucker课题组[6]以高锰酸钾为氧化剂, 在丙酮回流的条件下首次合成了二咔唑的肼类化合物. 在此之后, 构建N—N键偶联化合物的方法往往是通过化学计量的金属氧化剂(如KMnO4、Ag2O或重铬酸盐等)[6-8]进行反应(Scheme 1, a). 此后一系列过渡金属铜、铱、铁催化形成N—N键的方法逐渐成为热门方法[9-13]. 例如, 2018年, Stahl课题组[10]报道了一种铜催化咔唑和二芳胺的有氧氧化N—N偶联以及选择性交叉偶联的方法(Scheme 1, b), 这为有机合成中N—N键的构建提供了新的思路. 近年来, 有机电化学和有机光化学合成方法也被广泛应用于N—N键的构建. 例如, 2019年, 徐海超课题组[13]通过电化学方法对仲芳胺进行脱氢二聚反应, 建立了一种电化学合成具有不同电子性质的四取代肼的方法; 2025年, 我们课题组[14]在光化学条件下实现了N-烷氧基酰胺及二苯胺类化合物的N—N自偶联反应(Scheme 1, c). 此外, 2025年, 王会课题组[15]N-碘代丁二酰亚胺(NIS)为介导试剂, N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂, 经简单的蓝光照射, 高效合成了多种类型的N—N偶联化合物. 尽管N—N键的形成已有多种合成方法, 但是上述已报道的偶联方法通常依赖于昂贵氧化剂、金属催化剂、贵金属电极、昂贵光源及非环保溶剂等. 2024年, 我们课题组[16]在室温无溶剂条件下实现了N-烷氧基酰胺的N—N自偶联反应(Scheme 1, d), 这对开发绿色、环保的N—N自偶联反应技术具有重要意义.
图式1 N—N偶联方法的研究进展

Scheme 1 Research progress on N—N coupling methods

基于此, 本课题组在前期研究的基础上, 通过碘苯二乙酸实现了二芳基胺类化合物的N—N自偶联反应合成肼类化合物(Scheme 1, e). 这一研究方向不仅使得合成方法更加简便, 价格更加便宜, 底物更为广泛, 也更符合绿色化学的发展趋势. 不仅如此, 含有较大位阻取代基的肼类化合物往往合成困难且产率较低, 此方法为N—N自偶联反应技术的进一步发展展现了巨大潜力.

2 结果与讨论

2.1 反应条件优化

本研究首先以3,6-二溴咔唑(1a, 0.2 mmol)为模版底物进行N—N自偶联合成二咔唑化合物反应条件的研究(表1). 结果表明, 当以碘苯二乙酸(PIDA, 2.0 equiv.)作为氧化剂、二氯甲烷(DCM, 1 mL)作为溶剂时, 在室温下反应4 h可以以74%的产率合成3,3',6,6'-四溴-9,9'-双咔唑(2a, 表1, Entry 6). 然后, 通过对氧化剂种类、溶剂、氧化剂用量和温度等反应条件的筛选进行最优条件的探索, 结果发现氧化剂为叔丁基过氧化氢(TBHP)、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)或2-碘酰基苯甲酸(IBX)时无目标产物产生, 而过氧化苯甲酰(BPO)和偶氮二异丁腈(AIBN)并没有明显的提升目标产物产率(表1, Entries 1~5). 此外, 无溶剂反应时(表1, Entry 7), 反应并未发生; 当以乙腈(MeCN)、乙酸乙酯(EtOAc)和乙醇(EtOH)为溶剂时, 产率下降为70%~72%(表1, Entries 8~10); 当以氯仿(CHCl3)为溶剂时, 产率提高至80%(表1, Entry 11). 不仅如此, 当以1,2-二氯乙烷(DCE) 为溶剂时, 产率提高至85%(表1, Entry 12). 升高温度至60 ℃时, 产率可以提高至90%(表1, Entry 13). 最后,考察碘苯二乙酸用量对反应的影响, 发现当碘苯二乙酸用量减少到1.0和0.75 equiv. 时, 产率提高至91%(表1, Entries 14, 15). 当碘苯二乙酸用量减少到0.5 equiv. 时, 产率降低至85%(表1, Entry 16). 综上所述, 该反应最佳条件为: 60 ℃下, 碘苯二乙酸(0.75 equiv.)为氧化剂, 1,2-二氯乙烷(1 mL)为溶剂.
表1 N—N自偶联反应条件筛选a

Table 1 N—N homo-coupling reaction condition screening

Entry Oxidant (equiv.) Solvent Temp./℃ Time/h Yieldb/%
1 TBHP (2.0) DCM (1 mL) r.t. 24 0
2 TEMPO (2.0) DCM (1 mL) r.t. 24 0
3 IBX (2.0) DCM (1 mL) r.t. 24 0
4 BPO (2.0) DCM (1 mL) r.t. 24 29
5 AIBN (2.0) DCM (1 mL) 60 24 59
6 PIDA (2.0) DCM (1 mL) r.t. 4 74
7 PIDA (2.0) Solvent free r.t. 12 0
8 PIDA (2.0) MeCN (1 mL) r.t. 12 72
9 PIDA (2.0) EtOAc (1 mL) r.t. 24 70
10 PIDA (2.0) EtOH (1 mL) r.t. 24 72
11 PIDA (2.0) CHCl3 (1 mL) r.t. 6 80
12 PIDA (2.0) DCE (1 mL) r.t. 1 85
13 PIDA (2.0) DCE (1 mL) 60 1 90
14 PIDA (1.0) DCE (1 mL) 60 4 91
15 PIDA (0.75) DCE (1 mL) 60 6 91
16 PIDA (0.5) DCE (1 mL) 60 24 85

a Reaction conditions: 1a (0.2 mmol), PIDA (0.15 mmol), DCE (1 mL), 60 ℃. b Isolated yield.

2.2 反应底物扩展

在获得最优反应条件后, 对本反应的普适性进行探索. 首先考察了具有不同官能团的3,6位有取代基的咔唑衍生物的底物范围, 结果表明苯环3,6位无取代基或者存在不同性质的供电子取代基, 反应并不会受到影响, 均能以优异产率得到目标产物(表2, 2a~2l). 但是当取代基为吸电子取代基(如CN, NO2)时, 反应较慢, 且无对应的咔唑自偶联产物产生. 同时, 当取代基为单取代基时仍然能以较高产率得到目标产物(表2, 2g~2l). 此外, 当咔唑的2,5位存在取代基时反应产率也能达到了80%(表2, 2j), 显著高于已报道的多种合成方法[10-12]. 值得注意的是, 上述方法也适用于咔唑3,6位含有大体积荧光分子的底物(如芘、四苯乙烯), 并能够以高产率获得目标产物(表2, 2k~2l). 这个发现为N—N偶联方法合成大型分子提供了研究思路.
表2 咔唑类化合物N—N自偶联反应底物扩展a,b

Table 2 Expansion of substrates for N—N homo-coupling reaction of carbazole compounds

a Reaction conditions: 1 (0.2 mmol), PIDA (0.15 mmol), DCE (1 mL), at 60 ℃, under air atmosphere; b Isolated yield.

鉴于N—N键在天然产物中普遍存在及其重要性, 我们进一步探索了该反应体系在咔唑类化合物以外的底物中的适用性(表3). 初步研究表明, 该方法可有效应用于二苯胺类化合物的N—N偶联反应, 且芳环上取代基的电子效应对反应结果影响较小, 均能以较高收率获得目标产物(表3, 4a~4d). 并且, 当取代基位于二苯胺的2位时, 仍能以92%的反应收率得到目标产物(表3, 4e).
表3 二苯胺类化合物N—N自偶联反应底物扩展a,b

Table 3 Diphenylamine compounds N—N homo-coupling reaction substrate expansion

a Reaction conditions: 3 (0.2 mmol), PIDA (0.15 mmol), DCE (1 mL), at 60 ℃, under air atmosphere; b Isolated yield.

2.3 克级反应研究

为了探究咔唑和二苯胺的氧化脱氢N—N偶联反应在合成上的实用性, 我们进一步地尝试将反应物的量由毫克级放大到克级(Scheme 2). 60 ℃下, PIDA作为氧化剂, 将15.38 mmol的3,6-二溴咔唑1a与其在DCE中搅拌6 h, 可以以90%的分离产率得到相应的N—N偶联产物2a (Scheme 2, a). 不仅如此, 在相同条件下将15.38 mmol的2,7-二溴咔唑1j与PIDA反应10 h, 仍可以80%的分离产率得到相应的N—N偶联产物2j (Scheme 2, b). 这表明该制备方法在工业生产上具有潜在的应用前景.
图式2 克级反应实验

Scheme 2 Gram-scale experiment

2.4 机理研究

为了阐明这一化学反应的机理, 我们进行了控制实验(Scheme 3). 首先, 在标准反应条件下, 向反应混合物中分别加入过氧化苯甲酰或偶氮二异丁腈(BPO或AIBN, 2.0 equiv.)作为自由基引发剂, 结果显示, 碘苯二乙酸促进N—N偶联反应均能发生, 目标产物的收率为29%和56%. 此外, 在标准反应条件下, 向反应混合物中分别加入2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT, 3.0equiv.)和2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO, 3.0 equiv.)作为自由基捕捉剂. 当在反应体系中加入BHT时, 无 N—N偶联产物产生, 这表明BHT的加入完全抑制了反应的发生, 目标产物的收率为26%, 但没有找到捕获的中间体. 此外, 当在反应体系中加入TEMPO时, 发现只有少量N—N偶联产物产生, 也没有可捕获的中间体. 因此基于以上实验结果以及前人的研究报道[16], 提出以下可能的反应机理: 首先, PIDA与二芳基胺发生三价碘的配体交换反应, 得到氮-碘中间体A, 随后, A通过单电子氧化生成二芳基胺自由基中间体B, 同时自由基中间体B进行N—N自偶联反应得到目标产物肼类化合物(Scheme 4).
图式3 控制实验

Scheme 3 Radical trapping experiment

图式4 可能的反应机理

Scheme 4 Proposed mechanism

3 结论

发展了60 ℃下, 1,2-二氯乙烷为溶剂, 碘苯二乙酸(PIDA)作为氧化剂, 二芳基胺类化合物N—N自偶联反应合成肼类化合物的方法. 该方法无需任何金属催化剂、配体和添加剂, 反应条件温和, 操作简单, 绿色环保, 具有良好的底物普适性, 可以以优异的产率获得目标化合物. 不仅如此, 本方法尤其适用于具有大位阻和大分子取代基的二苯胺类化合物, 为制备结构复杂的肼类化合物提供了一种简便、温和且绿色的合成方法.

4 实验部分

以化合物2a的制备为例, 向25 mL的Schlenk管中依次加入3,6-二溴咔唑(1a, 65 mg, 0.2 mmol)、碘苯二乙酸(PIDA, 49 mg, 0.15 mmol)和1 mL 1,2-二氯乙烷, 将反应物置于60 ℃油浴锅中搅拌, 薄层色谱(TLC)跟踪反应, 待反应完成后, 停止反应, 减压浓缩, 经硅胶柱层析法分离纯化(石油醚/乙酸乙酯, VV=200∶1), 得到目标产物2a (59 mg, 91%).
(Zhao, C.)
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