研究论文介绍

Green Chem.:电催化CO2,胺和N-烯基磺酰胺的三组分反应

本文作者:杉杉

导读

本文主要报道一种绿色环保合成氨基甲酸酯化合物的策略,涉及电催化CO2、胺和N-烯基磺酰胺的三组分串联反应。同时,该反应通过电氧化实现惰性二氧化碳参与三组分反应。此外,药理活性研究表明,氨基甲酸酯类化合物具有更好的抗肿瘤活性。其中,桂林电子科技大学梁英和广西师范大学唐海涛为共同通讯作者。

Electrochemical-mediated fixation of CO2: three-component synthesis of carbamate compounds from CO2, amines and Nalkenylsulfonamides

Chunlan Song, Kun Liu, Ting-Kai Xiong, Xue-Qi Zhou, Min Zhang, Hai-Tao Tang*, Ying-Ming Panb and Ying Liang*

Green Chem. ASAP DOI: 10.1039/D1GC00949D

正文

二氧化碳广泛存在于自然界中,可作为有机合成中的碳源,具有成本低且易得等特点。同时,二氧化碳具有高热力学和动力学稳定性以及低反应性,若将其用于反应的底物则具挑战性。目前,通过二氧化碳还原反应可合成一系列具有价值的燃料或化合物,如一氧化碳、甲酸、甲醇、甲烷、乙烯等。同时,在有机合成中,二氧化碳可作为亲电子试剂与碳、氮或氧亲核试剂反应,从而构建新的C-C、C-N或C-O键(Fig. 1)。

氨基甲酸酯是天然产物和药物的重要中间体。通常,在高压条件下CO2和胺形成氨基甲酸酯阴离子,随后在过渡金属催化或光催化下与另一种组分发生偶联反应(Scheme 1a)。最近,Yu等[1]报道了铜催化CO2与吲哚或呋喃的三氟甲基化去芳构化反应(Scheme 1b)。Jiang等[2]也报道了各种氨基甲酸酯化合物的合成,如光催化α-芳基重氮酯、胺和CO2的偶联反应[3]。烯烃的双官能化反应,如烯烃的双胺化反应,可以在产物中引入多个特定的氨基。当使用炔丙基胺或邻氨基苯乙烯作为底物时,很可能发生烯烃的直接双胺化反应。因此,若想将这些底物与二氧化碳直接反应以合成氨基甲酸酯,则具有挑战性。为了实现此类反应,作者设想,是否可通过电化学的方法,使N-烯基磺酰胺在阳极被氧化成亲电子中间体,该中间体可以与氨基甲酸酯阴离子反应,从而合成氨基甲酸酯化合物。

首先,作者以N-(2-乙烯基苯基)甲苯磺酰胺1a、吡咯烷2a和CO2作为模型底物,进行相关反应条件的筛选(Table 1)。反应的最佳条件为:以铂电极为阴极和阳极,NH4I为电解质,电流密度为25 mA cm-2,MeCN为溶剂,可在无隔膜电解槽中-10 °C下反应,即可获得77%收率的目标产物3aa

在获得上述最佳反应条件后,作者开始对底物范围进行了扩展(Scheme 2)。反应结果表明,各种取代的伯胺、仲胺底物,均可顺利反应,获得相应的产物3aa3ak,收率为47-77%。同时,该反应成功地获得了两种氨基酯产物3al3am。此外,N-(2-乙烯基苯基)磺酰胺底物中的磺酰基具有不同取代时,均以高收率获得产物3ba3da。同时,N-(2-乙烯基苯基)磺酰胺底物中芳基取代,不受电子效应的影响,均可获得产物3ea3ja

为了进一步了解反应的机理,作者进行了相关的对照实验(Scheme 3)。首先,将碘和1a于乙腈中反应,形成碘化中间体5(LC-MS检测),再加入吡咯烷2a和通入CO2,从而获得16%收率的3aa。同时,在碘催化下,1a、吡咯烷2a和CO2也可获得19%收率的3aa。其次,当在反应体系中加入氧化剂TBHP,仅检测到微量的产物3aa。这些结果表明,电流和碘对于反应至关重要。

根据上述的实验结果,作者提出了一种可能的反应机理(Scheme 4)。NH4I在恒定电流电解条件下充当电解质和催化剂。首先,由于碘化物的促进,底物1可生成碘鎓中间体4,并且碘化物在阳极被氧化为碘分子。其次,碘鎓中间体4经分子内环化反应生成碘代中间体5。随后,碘代中间体5再与氨基甲酸酯阴离子6反应,从而得到最终产物3

此外,作者还对药理活性进行了研究(Table 2)。通过MTT测定法筛选化合物的抗肿瘤活性。同时,选择了四个肿瘤细胞系(HeLa,T-24,MGC-803和HepG-2)。研究结果表明,与化合物7和化合物8相比,氨基甲酸酯化合物3am具有相对更好的抗肿瘤活性。

总结

本文主要报道一种基于电催化CO2、胺和N-(2-乙烯基苯基)-磺酰胺的三组分串联反应,可合成一系列氨基甲酸酯化合物。同时,与金属催化策略相比,电催化更具绿色环保性。值得注意的是,NH4I在恒定电流电解条件下同时充当电解质和催化剂。此外,低温的反应条件可抑制胺的竞争性副反应。

参考文献

[1] J.-H. Ye, L. Zhu, S.-S. Yan, M. Miao, X.-C. Zhang, W.-J. Zhou, J. Li, Y. Lan and D.-G. Yu, ACS Catal., 2017, 7, 8324-8330.

[2] (a) L. Wang, C. Qi, R. Cheng, H. Liu, W. Xiong and H. Jiang, Org. Lett., 2019, 21, 7386-7389; (b) W. Xiong, C. Qi, R. Cheng, H. Zhang, L. Wang, D. Yan and H. Jiang, Chem. Commun.2018, 54, 5835-5838.

[3] R. Cheng, C. Qi, L. Wang, W. Xiong, H. Liu and H. Jiang, Green Chem., 2020, 22, 4890-4895.

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