可见光催化醛、酮或亚胺与缺电子芳烃还原偶联构筑芳基取代醇和胺

doi:10.1016/S1872-2067(17)62896-1

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (3): 487-494.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62896-1

可见光催化醛、酮或亚胺与缺电子芳烃还原偶联构筑芳基取代醇和胺

刘赞^a,b, 南小磊^a,b, 雷涛^a,b, 周超^a,b, 王阳^a,b, 刘文强^a,b, 陈彬^a,b, 佟振合^a,b, 吴骊珠^a,b

a 中国科学院理化技术研究所, 光化学转换与功能材料重点实验室, 北京 100190;
b 中国科学院大学, 北京 100049

收稿日期:2017-09-17 修回日期:2017-10-26 出版日期:2018-03-18 发布日期:2018-03-10
通讯作者: 吴骊珠
基金资助:
国家科技部基金（2013CB834804，2014CB239402）；国家自然科学基金（21390404，91427303）；中国科学院战略先导研究项目基金（XDB17030400）.

Photo-induced reductive cross-coupling of aldehydes, ketones and imines with electron-deficient arenes to construct aryl substituted alcohols and amines

Zan Liu^a,b, Xiaolei Nan^a,b, Tao Lei^a,b, Chao Zhou^a,b, Yang Wang^a,b, Wenqiang Liu^a,b, Bin Chen^a,b, Chenho Tung^a,b, Lizhu Wu^a,b

a Key Laboratory of Photochemical Conversion and Optoelectronic Materials, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received:2017-09-17 Revised:2017-10-26 Online:2018-03-18 Published:2018-03-10
Contact: 10.1016/S1872-2067(17)62896-1
Supported by:
This work was supported by the Ministry of Science and Technology of China (2013CB834804, 2014CB239402), the National Natural Science Foundation of China (21390404, 91427303), and the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Science (XDB17030400).

摘要/Abstract

摘要：

通过C=X（X=O，N）双键极性翻转构筑碳-碳键是有机化学反应的重要合成策略.传统C=X（X=O，N）双键的极性翻转往往需要苛刻的反应条件和对水或空气敏感的强还原剂辅助，导致其适用范围受限.近年来，可见光催化反应以其独特高效的单电子转移特性，在室温条件下实现了这一类贫电子官能团向亲核性中间体的高效转化.该策略已经拓展C=X（X=O，N）双键自身或与烷基链的偶联，从而得到烷基取代的醇和胺类化合物.本文利用可见光催化反应使C=X（X=O，N）双键极性翻转与芳香化合物的直接偶联，高效温和地合成芳基取代的醇和胺.反应无需强还原剂，底物适用范围广.该方法是对可见光催化C=X（X=O，N）双键极性翻转的重要补充，具有潜在的应用价值.
本文以苯甲醛和1，4-二氰基苯为底物，fac-Ir（ppy）₃为光敏剂，二异丙基乙胺为终端还原剂，DMSO为溶剂，蓝光照射12h能够以82%的收率实现模板反应.其它光敏剂如[Ru（bpy）₃]Cl₂则不能催化该反应.溶剂效应指出，丙酮、乙腈可以得到低于40%的收率，甲醇、二氯甲烷、DMF等溶剂不适用该反应体系.控制实验证实，光敏剂、二异丙基乙胺和光照三个反应组分缺一不可.底物拓展发现，不同取代基的芳基腈类化合物包括烷基取代、砜基和酯基取代甚至杂芳环取代都能很好地适用于该体系，芳基醛、酮以及亚胺作为反应的另一组分亦能高效参与该还原偶联反应.
自由基捕获实验证实反应过程中涉及自由基历程.光谱淬灭实验表明，芳香腈是唯一有效淬灭激发态fac-Ir（ppy）₃发光的物种.进一步结合底物的氧化还原电位，证实芳香腈能被激发态的光敏剂fac-Ir（ppy）₃还原，但二异丙基乙胺和芳香醛、酮不能与激发态光敏剂发生作用，催化反应经历光敏剂的氧化淬灭路径.首先，光敏剂受光激发到达激发态，与芳基腈发生单电子转移.随后，二异丙基乙胺促使失去电子的铱配合物还原再生，得到相应氮自由基阳离子.该氮自由基阳离子活化反应体系中的C=X（X=O，N）双键，使其从激发态铱物种得到电子形成苄位自由基，进而与得到电子的芳基氰偶联得到最终产物.

关键词: 芳基取代的醇和胺, 还原偶联, 极性翻转, 光催化, 芳基化

Abstract:

Umpolung reactions of C=X bonds (X=O, N) are valuable ways of constructing new C-C bonds, which are sometimes difficult to be constructed using traditional synthetic pathways. Classical polarity inversion of C=X bonds (X=O, N) usually requires air or moisture-sensitive and strong reducing agents, which limit the feasibility of substrate scope. Herein we describe a photo-induced reductive cross-coupling reaction of aldehydes, ketones and imines with electron-deficient arenes (aromatic nitriles) using fac-Ir(ppy)₃ as a photocatalyst and diisopropylethylamine (DIPEA) as a terminal reductant under visible light irradiation. Mild conditions and high yields mean that this new polarity inversion strategy can be used with aryl-substituted alcohols and amines. Spectroscopic studies and control experiments have demonstrated the oxidative quenching of Ir(ppy)₃^* by electron-deficient arenes involved in the key step for the C-C bond formation.

Key words: Aryl substituted alcohols and amines, Radical-radical cross coupling, Polarity reversal, Photocatalysis, Arylation

刘赞, 南小磊, 雷涛, 周超, 王阳, 刘文强, 陈彬, 佟振合, 吴骊珠. 可见光催化醛、酮或亚胺与缺电子芳烃还原偶联构筑芳基取代醇和胺[J]. 催化学报, 2018, 39(3): 487-494.

Zan Liu, Xiaolei Nan, Tao Lei, Chao Zhou, Yang Wang, Wenqiang Liu, Bin Chen, Chenho Tung, Lizhu Wu. Photo-induced reductive cross-coupling of aldehydes, ketones and imines with electron-deficient arenes to construct aryl substituted alcohols and amines[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(3): 487-494.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(17)62896-1

https://www.cjcatal.com/CN/Y2018/V39/I3/487

参考文献

[1] D. A. Nicewicz, D. W. C. MacMillan, Science, 2008, 322, 77-80.
[2] M. A. Ischay, M. E. Anzovino, J. Du, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 12886-12887.
[3] J. M. R. Narayanam, J. W. Tucker, C. R. J. Stephenson, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 8756-8757.
[4] D. C. Fabry, M. A. Ronge, J. Zoller, M. Rueping, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2801-2805.
[5] D. C. Fabry, J. Zoller, S. Raja, M. Rueping, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 10228-10231.
[6] J. Du, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 14604-14605.
[7] M. A. Ischay, Z. Lu, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 8572-8574.
[8] C. J. Wallentin, J. D. Nguyen, P. Finkbeiner, C. R. J. Stephenson, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 8875-8884.
[9] G. L. Lackner, K. W. Quasdorf, L. E. Overman, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 15342-15345.
[10] D. Kalyani, K. B. McMurtrey, S. R. Neufeldt, M. S. Sanford, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 18566-18569.
[11] X. Q. Hu, J. R. Chen, Q. Q. Zhao, Q. Wei, W. J. Xiao, X. T. Qi, Y. Lan, Nat. Commun., 2016, 7, 11188.
[12] J. D. Cuthbertson, D. W. C. MacMillan, Nature, 2015, 519, 74-77.
[13] C. P. Johnston, R. T. Smith, S. Allmendinger, D. W. C. MacMillan, Nature, 2016, 536, 322-325.
[14] X. Q. Huang, R. D. Webster, K. Harms, E. Meggers, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12636-12642.
[15] J. D. Nguyen, E. M. D'Amato, J. M. R. Narayanam, C. R. J. Stephenson, Nat. Chem., 2012, 4, 854-859.
[16] G. J. Choi, Q. L. Zhu, D. C. Miller, C. J. Gu, R. R. Knowles, Nature, 2016, 539, 268-271.
[17] A. J. Musacchio, B. C. Lainhart, X. Zhang, S. G. Naguib, R. R. Knowles, T. C. Sherwood, Science, 2017, 355, 727-730.
[18] Q. Y. Meng, J. J. Zhong, Q. Liu, X. W. Gao, H. H. Zhang, T. Lei, Z. J. Li, K. Feng, B. Chen, C. H. Tung, L. Z. Wu, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 19052-19055.
[19] G. T. Zhang, X. Hu, C. W. Chiang, H. Yi, P. K. Pei, A. K. Singh, A. W. Lei, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12037-12040.
[20] J. Schwarz, B. Konig, Green Chem., 2016, 18, 4743-4749.
[21] X. Y Yu, F Zhou, J. R. Chen, W. J. Xiao, Acta Chim. Sin., 2017, 75, 86-91.
[22] A. R. Wade, H. R. Pawar, M. V. Biware, R. C. Chikate, Green Chem., 2015, 17, 3879-3888.
[23] X. J. Lang, J. C. Zhao, X. D. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 4697-4700.
[24] T. Ikeda, S. Yue, C. R. Hutchinson, J. Org. Chem., 1985, 50, 5193-5199.
[25] M. Szostak, D. J. Procter, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 9238-9256.
[26] L. J. Rono, H. G. Yayla, D. Y. Wang, M. F. Armstrong, R. R. Knowles, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 17735-17738.
[27] K. T. Tarantino, P. Liu, R. R. Knowles, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 10022-10025.
[28] J. L. Jeffrey, F. R. Petronijevic, D. W. C. MacMillan, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8404-8407.
[29] F. R. Petronijevic, M. Nappi, D. W. C. MacMillan, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 18323-18326.
[30] M. Nakajima, E. Fava, S. Loescher, Z. Jiang, M. Rueping, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 8828-8832.
[31] E. Fava, A. Millet, M. Nakajima, S. Loescher, M. Rueping, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 6776-6779.
[32] W. Ding, L. Q. Lu, J. Liu, D. Liu, H. T. Song, W. J. Xiao, J. Org. Chem., 2016, 81, 7237-7243.
[33] L. Qi, Y. Y. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 13312-13315.
[34] K. N. Lee, Z. Lei, M. Y. Ngai, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 5003-5006.
[35] A. McNally, C. K. Prier, D. W. C. MacMillan, Science, 2011, 334, 1114-1117.
[36] M. T. Pirnot, D. A. Rankic, D. B. C. Martin, D. W. C. MacMillan, Science, 2013, 339, 1593-1596.
[37] K. Qvortrup, D. A. Rankic, D. W. C. MacMillan, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 626-629.
[38] H. G. Roth, N. A. Romero, D. A. Nicewicz, Synlett, 2016, 27, 714-723.
[39] C. K. Prier, D. A. Rankic, D. W. C. MacMillan, Chem. Rev., 2013, 113, 5322-5363.

可见光催化醛、酮或亚胺与缺电子芳烃还原偶联构筑芳基取代醇和胺

Photo-induced reductive cross-coupling of aldehydes, ketones and imines with electron-deficient arenes to construct aryl substituted alcohols and amines

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	赵彬彬, 钟威, 陈峰, 王苹, 别传彪, 余火根. 高晶化g-C₃N₄光催化剂: 合成、结构调控和光催化产氢[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 127-143.
[2]	唐小龙, 李锋, 李方, 江燕斌, 余长林. 单原子催化剂在光催化和电催化合成过氧化氢中的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 79-98.
[3]	蔡铭洁, 刘艳萍, 董珂欣, 陈晓波, 李世杰. 漂浮型Bi₂WO₆/C₃N₄/碳布S型异质结光催化材料用于高效净化水体环境[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 239-251.
[4]	王思恺, 闵祥婷, 乔波涛, 颜宁, 张涛. 单原子催化: 追寻催化领域的“圣杯”[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 1-13.
[5]	江梓聪, 程蓓, 张留洋, 张振翼, 别传彪. 氧化锌基梯型异质结光催化剂[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 32-49.
[6]	刘博文, 蔡家杰, 张建军, 谭海燕, 程蓓, 许景三. MOF/CdS梯型光催化剂同时进行苯甲醇氧化和析氢反应及其机理研究[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 204-215.
[7]	宋明明, 宋相海, 刘鑫, 周伟强, 霍鹏伟. ZnIn₂S₄/MOF-808微球结构S型异质结光催化剂的制备及其光还原CO₂性能研究[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 180-192.
[8]	邵秀丽, 李可, 李静萍, 程强, 王国宏, 王楷. 揭示NiS@Ta₂O₅纳米纤维中梯型电荷转移路径及光催化CO₂转化性能[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 193-203.
[9]	李嘉明, 李源, 王小田, 杨直雄, 张高科. TiO₂上原子分散的Fe位点促进光催化CO₂还原: 增强的催化活性、 DFT计算和机制洞察[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 145-156.
[10]	阎菲, 张由子, 刘思碧, 邹睿卿, Jahan B Ghasemi, 李炫华. 供体-受体型卟啉基金属有机框架实现有效电荷分离高效光催化析氢[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 124-134.
[11]	孙利娟, 王伟康, 路平, 刘芹芹, 王乐乐, 唐华. 纳米高熵合金实现光催化剂肖特基势垒的调控用于光催化制氢与苯甲醇氧化耦合反应[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 90-100.
[12]	刘海峰, 黄祥, 陈加藏. 电子态调控促进氢气无损耗纯化中CO的光致富集和氧化[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 49-54.
[13]	袁鑫, 范海滨, 刘杰, 覃龙州, 王剑, 段秀, 邱江凯, 郭凯. 连续流技术在光氧化还原催化转化的最新进展[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 175-194.
[14]	余治晗, 关晨, 岳晓阳, 向全军. 碳环渗入的结晶氮化碳S型同质结及其光催化析氢[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 361-371.
[15]	李慧杰, 池漫洲, 辛兴, 王瑞杰, 刘天府, 吕红金, 杨国昱. 异金属取代的多金属氧酸盐@光响应型金属-有机框架用于高选择性光催化CO₂还原[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 343-351.