【人物与科研】湘潭大学黄华文副教授课题组Org. Lett.：NaI/PPh3介导的硝基芳烃的光化学还原和胺化
导语
硝基芳烃是稳定、低成本且容易获得的起始材料，直接利用硝基芳烃合成高附加值的含氮化合物具有重要意义。硝基芳烃还原为苯胺是一个重要的反应，因为苯胺是制备染料、药物和农用化学品的核心组成部分。目前，通过使用化学计量还原剂非催化还原硝基芳烃获得功能化苯胺是主要的商业途径，但这些方法存在选择性差、严重环境污染问题。近日，湘潭大学化学学院黄华文副教授课题组报道了基于NaI和PPh3组合的温和无过渡金属和光敏剂的光氧化还原体系，实现硝基芳烃的光化学还原和胺化反应，相关成果在线发表于Org. Lett.（DOI：10.1021/acs.orglett.1c01654）。
黄华文副教授简介
黄华文副教授，2009年6月毕业于西北大学，获工学学士学位；2014毕业于华南理工大学，获工学博士学位，同年7月进入湘潭大学化学学院工作，随即加入以邓国军为学科带头人的“绿色合成与催化”团队；2016年获得中国留学基金委支持以博士后身份赴哥廷根大学进修，合作导师Lutz Ackermann教授；2019年入选中共湖南省委“湖湘青年英才”支持计划；2020年获湖南省优秀青年基金；现为湘潭大学化学学院副教授、博士生导师；参加工作以来围绕“环境友好型有机合成化学新策略开发和应用”这一主题展开研究，并取得了一系列原创性成果：目前以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文70篇（中科院一区论文40余篇），论文他引次数超过4000次，先后有6篇论文入选ESI高被引论文，申请专利15项（授权6项），担任ACS Catal.、Green Chem.、Org. Lett.等国际权威期刊的特邀审稿人。
邓国军课题组
前沿科研成果
NaI/PPh3介导的硝基芳烃的光化学还原和胺化
硝基芳烃催化还原的传统方法主要依赖于过渡金属（TM）催化直接加氢或氢转移、电催化水氧化以及可持续的可见光诱导光催化（图1a）。另一方面，2-硝基双芳烃的分子内还原胺化，即所谓的Cadogan反应（图1b），传统上的方法是在热条件下用化学计量的三苯基膦，而最近使用格氏试剂和基于过渡金属催化剂或磷杂环烷烃催化剂的催化方案的温和工艺。基于此，湘潭大学黄华文副教授等人报道了基于NaI和使用催化量或当量的PPh3的组合从而是实现硝基芳烃的光化学还原和胺化（图1c）。该体系具有不需要过渡金属催化剂、温和的反应条件、具有广泛官能团耐受性的充足底物范围、高化学选择性等特点；包括DFT计算在内的机理研究表明：硝基芳烃与NaI和PPh3形成了电子给体-受体（EDA）络合物。
图1. 催化硝基芳烃还原和分子内胺化（Cadogan反应）
（来源：Org. Lett.）
首先，作者以2-硝基联苯作为原料进行条件筛选和优化，最终以40 mol% NaI和20 mol% PPh3为催化剂、2.0 equiv. PhSiH3为还原剂、以2.0 mL CHCl3为溶剂、氩气氛围中用35 W蓝光LED在60 ℃下照射72 h，以98%的产率得到目标还原产物2-氨基联苯（2a）；另外，使用40 mol% NaI为催化剂、2.5 equiv. PPh3为还原剂、以2.0 mL二氧六环为溶剂，氩气氛围中用35 W蓝光LED在60 ℃下照射72 h，以78%的产率得到目标胺化产物咔唑（3a）。
随后，作者考察了NaI/PPh3介导的硝基芳烃的光化学还原的底物适用范围。如图2所示，各种取代的硝基芳烃，特别是具有可还原的官能团均能很好的反应。在该体系中对于带有吸电子或供电子的底物能高选择性的提供还原产物，同时对于具有可还原的官能团，如卤素（F、Cl、Br、I）、醛、酮、羧基以及氰基等，还原也仅仅发生在硝基上。另外，作者也考察了杂环，如硝基吡啶、8-硝基喹啉都能能够顺利进行反应。
图2. NaI/PPh3介导硝基芳烃光还原的底物范围考察
（来源：Org. Lett.）
接着，作者对NaI/PPh3介导的邻硝基双芳烃的分子内光化学胺化的底物适用范围进行了考察。如图3所示，当使用取代的邻硝基二芳烃，如氯、氰基、酯、酰胺和甲酰基，都能以中等至良好的收率得到咔唑目标产物。值得注意的是，当连接邻氟苯基，没有发生 C-F胺化。当反应底物中具有萘基部分、氮杂环等，在该体系下合成了萘并咔唑、氮杂咔唑、氮杂苯并咔唑、吡啶并吲唑以及吲哚等一系列氮杂环产物。
图3. NaI/PPh3介导邻硝基芳烃光还原胺化的底物范围考察
（来源：Org. Lett.）
为了探究该反应的机理，作者对NaI/PPh3介导的可见光催化硝基芳烃还原历程进行了深入的研究。如图4所示，通过对模型反应的原料1a、NaI和PPh3的各种组合进行紫外可见光谱吸收实验（图4a），结果表明在邻硝基联苯参与下，单一组分或组合在可见光区显示吸收，起始波长约为440 nm。此外，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算（图4b），结果表明，在没有碘化物添加剂的情况下，贫电子硝基芳烃1a和富电子PPh3通过库仑吸引力相互作用，P-O距离为3.57 Å，π-π相互作用，最短π堆积距离约为3.44 Å。这种组装导致形成原子转移复合物 Int-1（2.2 kcal/mol）。另一方面，额外的NaI似乎对1a和PPh3的相互作用有轻微影响，但它与1a和PPh3的库仑相互作用形成了新的原子转移复合物 Int-2（1.7 kcal/mol）。复合物Int-2预计会吸收光子以启动第一次脱氧过程。此外，对Int-2激发态的相关DFT (TD-DFT) 计算表明，S0到S4的激发对应吸收峰为558 nm。该峰几乎完全具有从 I-PPh3片段到PhNO2片段（HOMO-3到LUMO）的电荷转移激发特性（98%）。
图4.（a）反应物混合物的紫外-可见吸收光谱；（b）Int-2的预测激发态分子轨道图
（来源：Org. Lett.）
为了获得更多关于NaI/PPh3介导的硝基芳烃还原的机理信息，作者后续进行了一些控制实验。如图5所示，首先，在标准条件下缩短反应时间到12小时，发现苯胺（2z）唯一的还原产物，回收了主要的硝基苯（1z），而未观察到潜在的中间产物，如亚硝基苯（4）、偶氮苯（5）和偶氮苯（6）（图5a）。此外，当这些化合物代替1z处在标准条件下时，在有或没有光照射下的所有情况下都没有形成目标产物苯胺（图5b-d）。这些结果表明硝基芳烃的存在可能是中间产物后期还原的关键因素。因此，化合物4-6用催化量的额外1-溴-4-硝基苯处理（图5e-g）。苯胺确实是这些反应中的主要产物。由此我们推测：硝基苯、NaI和PPh3的组合形成EDA复合物，它吸收光子不仅分解成亚硝基苯或Ph-N(OH)中间体，而且还转移能量以实现中间产物的后期还原。
图5. 控制实验
（来源：Org. Lett.）
综上所述，作者报道了一种硝基芳烃与NaI和PPh3的结合产生EDA复合物，该复合物吸收光子以实现硝基芳烃的还原氢化。这种温和的光氧化还原催化系统已被证明对硝基还原具有高度选择性，因为其中包含可还原的官能团不被还原。由于化学计量的PPh3起到了能量转移引发剂和电子供体的双重作用，无光催化剂的NaI/PPh3介导的光催化也被用作邻硝基联芳烃Cadogan型还原胺化的有效方法。
实验部分由博士研究生屈中华和硕士研究生陈幸共同完成，论文通讯作者为黄华文副教授。研究工作得到了国家自然科学基金（22071211）、湖南省科技计划（2019RS2039）、湖南省自然科学基金（2020JJ3032）的支持。