研究论文介绍

西安交通大学曾荣教授、李洋副教授Org. Lett.:温和条件下硝基苯与醛、醇反应合成酰胺

导语

酰胺是有机化学中最重要的官能团之一,在有机合成、生命化学、有机材料化学和药物化学中都有着举足轻重的作用。传统上,绝大多数酰胺合成依赖于胺与羧酸及其衍生物(如酰氯和酸酐)的缩合反应。尽管这些方法高效方便,但通常需要化学计量活化剂,并会产生当量以上的废料。鉴于氨基化合物往往是通过硝基化合物还原来得到的,直接使用硝基芳烃作为氮源合成酰胺类化合物便显得极有意义。然而,当使用硝基化合物作为胺源,这类反应仍然需要过量的还原剂,如锌、锰、硅烷等,去原位还原并促进反应的发生。针对如何避免使用过量强还原剂的问题,近日,西安交通大学曾荣教授、李洋副教授使用硝基芳烃作为氮源,报道了无需额外的氧化还原试剂及活化剂的酰胺合成反应。该反应通过在光照下,使用廉价的三价铁作为催化剂来直接实现硝基化合物与醛、醇的偶联反应,发展了一种合成酰胺的新方法。该研究成果以“Mild Amide Synthesis Using Nitrobenzene under Neutral Conditions”为题,发表于Org. Lett. 2022.(DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01743)。

曾荣教授简介:

西安交通大学化学学院教授,海外高层次人才计划、西交“青年拔尖人才计划”A类入选者,博导。2008年于浙江大学取得学士学位后直博本校,并于2013年取得博士学位,师从我国著名有机化学家麻生明院士,主要研究联烯参与的自由基加成以及碳氢官能团化。2013年至2016年,在美国德克萨斯大学奥斯丁分校从事博士后研究工作,合作导师董广彬教授,研究方向为非张力环酮的碳碳键活化偶联。2016年至2018年,在以色列威兹曼科学研究所从事博士后研究工作,合作导师David Milstein教授,研究方向为Pincer络合物合成以及在一氧化二氮活化中的应用。2018年回国后的主要研究方向为廉价金属催化新方法的开发和应用。目前在J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.ACS Catal.等国际主流学术期刊发表系列论文,授权中国专利3项。Email: rongzeng@xjtu.edu.cn.

曾荣教授课题组:

曾荣课题组主要研究方向为廉价金属催化新方法的开发和应用。

欢迎硕士研究生、博士研究生的积极报考。

此外,因发展需要,曾荣课题组面向社会公开招聘青秀人才以及科研助理。

青秀计划是西安交通大学的师资博士后计划,聘期内考核合格转西安交通大学副教授。

青秀人才个人待遇:享受学校提供青秀人才的一切待遇。详情请见:其中,A类青秀年薪30万;B类青秀年薪16-20万。青秀

青秀计划表现优异者,优先推荐申请西安交通大学青年拔尖人才计划。

研究助理:硕士毕业或即将毕业;具有有机化学背景;发表过英文论文,有一定的英文书写能力。表现优异者优先推荐博士申请。

联系方式Email: rongzeng@xjtu.edu.cn.

李洋副教授简介:

西安交通大学化学学院副教授,博士生导师。2010年于兰州大学取得学士学位。2015年于上海有机化学研究所取得有机化学博士学位,师从我国著名有机化学家丁奎岭院士,主要从事手性配体的设计合成及不对称催化氢化反应的研究。2017年至2018年在美国斯克里普斯研究所做访问学者研究,合作导师余金权(Jin-Quan Yu)教授,研究方向为钯催化C-H键官能团化反应。2015年7月加入西安交通大学从事独立研究工作。主要从事过渡金属催化的惰性化学键活化及烯炔的官能团化反应研究。迄今为止国际主流学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.、Org. Lett.、Org. Chem. Front.Chem. -Eur. J.等发表论文多篇。

欢迎硕士研究生、博士研究生的积极报考。

Email: yanglee@mail.xjtu.edu.cn。

前沿科研成果:温和条件下硝基苯直接合成酰胺

近年来,光氧化还原催化已经成为一种强大而独特的工具,西安交通大学曾荣教授课题组围绕光促铁催化展开了一系列研究工作。目前已经在该研究方向取得了诸多进展并在国内外知名学术期刊发表多篇研究论文(Org. Lett. 2021, 23, 2915-2920; Chin. J. Chem. 2021, 39, 3225-3230; Org. Lett. 2021, 23, 8968-8972; Org. Lett. 2022, 24, 977-982; Org. Chem. Front. 2022, DOI: 10.1039/D2QO00709F)。近日,团队又在该研究领域取得了新进展,报道了一种通过铁光催化硝基苯作为氮源合成酰胺的新方法(图 1)。

图1. 硝基苯作为氮源合成酰胺

(图片来源: Org. Lett.

作者首先通过硝基苯和苯甲醛转化合成酰胺的反应进行了优化,并得到了最优的反应条件,能够以78%的分离产率得到酰胺,表明光促铁催化具有较高的活性。随后对该反应的底物适用范围进行了详细的研究。一系列含给电子或吸电子基团的芳香醛以中等至良好的产率顺利地转化为相应的酰胺类化合物,含有噻吩环、呋喃环、苯并呋喃环、苯并噻吩环或吡唑环等杂环的芳香醛也可转化为相应的杂芳酰胺。值得注意的是,脂肪醛一般较难转化,但在该体系中,反应也能顺利进行(图2)。

图2. 醛的底物范围

(图片来源: Org. Lett.

随后,作者探究了催化体系对硝基芳香族底物的适用范围(图3)。含有卤素原子(F、Cl、Br和I)的硝基苯以良好的产率顺利地转化为相应的酰胺。此外,甲氧基、腈、苯硫基、新戊氧基和酰基等多种含杂原子官能团也可以很好的得到兼容,并转化得到相应的产物。

图3. 硝基芳香族底物范围

(图片来源: Org. Lett.

此外,该催化体系还可以以醇为起始原料合成酰胺。一系列含给电子或吸电子基团的苄基醇与硝基苯反应,以中等的产率顺利转化得到目标产物(图4)。

图4. 醇底物范围

(图片来源: Org. Lett.

最后,通过一系列机理实验,作者也提出了该反应的催化循环(图5)。三价铁催化剂在光照下通过配体-金属电荷转移(LMCT)过程生成氯自由基和Fe(II)。随后,一方面,氯自由基和DCE之间的氢原子转移,生成Int-I和HCl。Int-I可以通过中间体Int-II促进硝基苯还原为Int-III物种,该物种可以为亚硝基苯、偶氮苯、偶氮苯等。另一方面,氯自由基还可以从苯甲醛中攫取氢原子生成酰基自由基(Int-IV),它可以与Int-III直接反应生成Int-V或与氯自由基偶联生成酰氯Int-VII。接下来,Int-V在铁催化体系下将再生三价铁和Int-VI,酰氯Int-VIIInt-III的直接反应也可以生成Int-VI。最后,Int-VI在该条件下被还原生成最终的酰胺产物3。当使用苄醇作为底物时,首先发生的是硝基苯氧化醇生成相应的醛。

图5. 催化循环

(图片来源: Org. Lett.

总结

西安交通大学曾荣教授、李洋副教授基于光促铁催化,发展了醛、醇与硝基苯的直接偶联合成酰胺类化合物的一种新方法。该反应使用廉价易得的铁催化剂,结合可见光催化,具有良好的底物适用范围和官能团容忍性、无需额外的氧化剂和活化试剂以及绿色经济等的优点。该研究成果以“Mild Amide Synthesis Using Nitrobenzene under Neutral Conditions”为题,发表于Organic Letters。西安交通大学化学学院博士研究生熊泥为该论文的第一作者,化学学院两位本科生董沅琪和徐斌为该论文的共同第二作者,曾荣教授和李洋副教授为本工作的通讯作者。

 

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