有机含氮化合物广泛存在于药物分子、天然产物、染料、材料和食品添加剂中, 是生命活动不可缺少的物质[1-2]. 在催化合成领域中, 含氮化合物也发挥着极其重要的作用. 例如含氮配体[3]可以大大增加金属催化反应的效率, 被广泛应用于各类催化反应. 因此合成含氮有机化合物具有广阔的前景和重要的应用价值, 是有机合成领域的研究重点之一. 经过长期的发展, 化学家已经发展了多种高效构建C—N键的方法, 包括Mannich反应[4]、Buchwald-Hartwig胺化反应[5-6]、Chan-Evans-Lam偶联反应[7]以及Ullmann偶联反应等[8]. 上述反应从不同原料出发, 通过碳氮键的构建合成含氮化合物, 在底物普适性以及官能团兼容性等方面都有着出色的表现, 但此类反应大多需要使用过渡金属和配体, 且存在需要使用预官能团化原料、价格昂贵等缺点. 因此, 发展更加绿色环保、高效且具有优异底物适用范围的方法来构建C—N键具有十分重要的意义.
光是一种广泛存在的自然界资源, 且具有廉价易得、绿色经济及可再生等特点. 近年来, 光催化作为一种新型的自由基引发手段逐渐受到化学家的青睐. 光催化可以使反应在温和的条件下高效进行, 极大地避免了传统方法中需要使用苛刻反应条件带来的不足. 值得一提的是, 在很多反应中, 自由基历程往往表现出和过渡金属催化历程不同的选择性等特点. 相比于传统的催化反应, 光催化的自由基反应通常可以减少或者避免原料的预先官能化, 体现出高效、原子经济性和环境友好等现代合成理念, 在药物合成、能源化学及天然产物合成等领域具有广阔的应用前景. 另外, 光催化反应不仅可以在常规的玻璃仪器中进行, 也可以使用微流体技术来进一步提高反应效率, 扩大反应规模. 因此近十几年来, 光催化的自由基反应作为新兴领域受到越来越多的关注[9-11].
另一方面, 氨及无机铵盐等氨的等价体作为一类极为经济易得、稳定且易于保存的含氮无机化合物, 是一类理想的潜在氮来源. 如果能实现将氨及其等价体中的氮原子高效转移到各种有机化合物中, 将间接实现固氮转化, 进而实现将氮气中的氮原子转移到有机化合物中. 因此发展氨及其等价体参与的C—N成键反应具有重要意义(Scheme 1). 本综述对光催化特别是可见光催化的氨及无机铵盐等氨的等价体参与的C—N成键反应进行了系统总结和阐述, 并对反应的机理和反应类型进行了详细总结, 同时对该领域的后续发展趋势进行了展望.
1 光催化sp3杂化碳参与的碳氮成键反应
2019年, 肖吉昌课题组[16]报道了一种光催化烯烃1,2-二氟甲基氰基化反应(Scheme 6). $\mathrm{Ph}_{3} \mathrm{P}^{+} \mathrm{CF}_{2} \mathrm{CO}_{2}^{-}$在反应中同时作为二氟甲基和氰基的碳源, 以Ir(ppy)3作为光敏剂. 首先在可见光催化下, $\mathrm{Ph}_{3} \mathrm{P}^{+} \mathrm{CF}_{2} \mathrm{CO}_{2}^{-}$解离出二氟甲基自由基, 二氟甲基自由基与氨基钠或者氨反应构建C≡N键得到氰根离子, 同时二氟甲基自由基与烯烃发生自由基加成, 加成后的中间体产物再与氰根离子反应, 最终实现烯烃的氰化和二氟甲基化. 该反应使用光催化的方法实现在温和条件下以中等甚至优良的收率合成腈类化合物, 为制备有机腈类化合物提供了新的合成思路.
2024年, 舒伟课题组[19]发展了一种可见光和钴协同催化的1,1-二取代芳基烯烃的直接烯丙基碳氢键官能团化构筑饱和C—N键生成支链伯胺的反应策略(Scheme 9). 在反应中, 以$\mathrm{Mes}-\mathrm{Acr}-\mathrm{Me}^{+} \mathrm{ClO}_{4}^{-}$作为光催化剂、Co(dmgH)(dmgH2)Cl2作为脱氢催化剂、La(OTf)3作为路易斯酸添加剂, 无机铵盐作为氨源, 在室温下实现烯丙基C—H键直接向C—N键的转化, 得到支链烯丙伯胺化合物. 无机铵盐选择性进行一次烯丙基C—H键胺化反应, 无过度胺化产物生成. 机理研究表明, 末端烯烃首先在光催化剂和钴催化剂作用下发生异构生成热力学更加稳定的内烯烃. 内烯烃光催化下与无机铵盐作用生成β-伯胺基烷基自由基, 该自由基进而与钴催化剂结合发生β-氢消除得到烯丙基伯胺产物. 该反应在室温条件下实现烯丙位C—H键的直接官能团化构筑C—N键. 另外, 伯胺、仲胺都能很好地适用于该反应, 与烯烃反应得到相应的烯丙基仲胺和叔胺.
2 光催化sp2杂化碳参与的碳氮成键反应
2.1 光催化sp2杂化碳参与的sp3碳氮成键反应
2.2 光催化sp2杂化碳参与的sp2碳氮成键反应
2022年, 薛东课题组[40]报道了镍和可见光协同催化(杂)芳基卤化物与溴化铵发生C—N交叉偶联合成芳基伯胺的反应(Scheme 30). 该反应使用易得的Ni(OAc)2-d-Meppy络合物作为催化剂. 该催化剂在光照下产生一价镍中间体, 进而与芳基卤代物发生氧化加成生成三价镍中间体. 在氨存在下, 该三价镍中间体进一步发生配体交换和还原消除等历程, 从而实现将(杂)芳基卤代物高效地转化为相应的(杂)芳基伯胺. 薛东课题组设计的实验方案能够以优良的产率得到(杂)芳基伯胺, 且对吸电子和供电子基团都有良好的耐受性, 为合成各类(杂)芳基伯胺以及部分生物活性分子提供了新的路线选择, 但反应需要在较高的温度下进行.
2022年, 舒伟课题组[42]发展了一种可见光催化烯基三氟甲基发生三次脱氟合成酰胺的反应(Scheme 32). 反应使用烷基三氟硼酸盐、水及无机铵为原料. 通过可见光催化氧化烷基三氟硼酸盐产生烷基自由基. 该自由基烯基三氟甲基进行自由基加成生成三氟甲基邻位的烷基自由基. 该自由基被单电子还原成碳负离子并进一步发生β-氟消除生成二氟烯烃. 二氟烯烃在光催化下进一步发生单电子氧化生成自由基阳离子, 随后接受水的区域选择性亲核进攻生成苄基自由基. 该自由基被单电子还原生成苄基碳负离子, 再次发生β-氟消除生成β-芳基酰氟, 进一步与氨发生取代反应生成一级酰胺. 当使用伯胺、仲胺、水或者醇代替铵盐时, 反应可以将烯基三氟甲基转化为相应的二级酰胺、三级酰胺、羧酸和酯. 该反应通过在室温条件下连续断裂三个C—F键, 为将三氟甲基转化为其它有价值的官能团开辟了新思路.
3 可见光催化sp杂化碳参与的碳氮成键反应
2016年, Batra课题组[45]报道了在可见光催化下, 氨水与(杂)芳基末端炔烃发生氧化断裂碳碳叁键构筑C—N键生成酰胺的方法(Scheme 35). 该方法使用碘单质作为催化剂, 首先末端炔烃与碘生成碘鎓离子. 在氨存在下碘鎓离子发生区域选择性开环生成富电子烯胺中间体. 该中间体在碘单质存在下碘化生成NH4I和α,α-二碘代亚胺正离子中间体. 随后, 该亚胺正离子中间体通过水化生成β,β-二碘代-α-氨基醇并失去二碘甲烷, 从而实现碳碳叁键断裂并生成酰胺产物. 生成的副产物NH4I和二碘甲烷在双氧水存在下, 经光照可以重生单质碘, 从而实现碘单质的催化循环. 值得注意的是, 该方法采用简单易获取的原料参与反应, 且无过渡金属参与, 在体现经济性的同时也兼具绿色环保的特点, 同时也对各种芳香族化合物有较好的耐受性.
4 结论
综上所述, 可见光催化氨及其等价体参与的碳氮成键反应已经发展成为一种构建有机含氮化合物的有效策略. 氨以及无机铵盐等作为固氮的直接产物, 是一种极为经济易得、稳定且易于保存的含氮无机化合物, 因此是一类理想的潜在氮来源. 在可见光催化下, 氨和无机铵盐可以参与多样化的碳氮成键反应. 通过对碳氢键、碳碳键或者碳杂原子键进行官能团化, 形成芳基碳氮键、酰胺碳氮键和饱和碳氮键等, 从而高效地将氮原子转移到各种有机化合物中, 间接实现了固氮转化, 进而实现将氮气转移到有机化合物中, 是一类经济、直接的氮化反应. C—N成键反应在生物医药的制备以及活性分子的合成中扮演着十分重要的角色, 例如用此类反应进行舍曲林及衍生物[46]和盐酸丁卡因[47]等其他含氮药物的合成, 可进一步降低含氮药物的合成难度与成本. 到目前为止, 该类反应仍然处于发展的初步阶段, 且成键方式较为有限. 因此, 发展可见光催化的氨及无机铵盐作为氮源的多样化C—N成键策略仍然具有重要的意义和研究前景. 具体研究工作将包括以下几个方面: (1)开发多样化C—N成键反应的前体; (2)探索C—N成键新策略; (3)发展将更加惰性的化学键转化为C—N键等. 同时, 探索可见光催化的氨及无机铵盐作为氮源的不对称C—N成键反应将是该领域另一个值得重视的发展方向. 另外, 借助电化学作为产生自由基的一种新技术来加强氨及无机铵盐的应用和发展也是值得重视的发展方向.
(Zhao, C.)