中科院蘭州化物所的李躍輝老師和蘇州大學鄭超湳老師合作報道了源于CO2和NH3的催化氰基化反應，在Cu2O/DABCO的催化下，可高效實現(xiàn)碘代和溴代芳烴的氰基化反應，并且通過同位素標記的CO2和NH3，可在氰基中引入13C和15N。文章發(fā)表在Chem上，題目為“Catalytic Cyanation Using CO2 and NH3”，DOI: 10.1016/j.chempr.2018.09.009。
Highlights:
鹵代芳烴的高效氰化反應且無需氰基負離子參與
C和N源于CO2和NH3
可以選擇性實現(xiàn)C和N的同位素標記
銅催化的小分子活化反應
CO2是世界上最重要和最豐富的一碳合成子，近些年來，將二氧化碳的還原與官能團化（即C-C、C-O或C-N鍵形成）相結(jié)合，即CO2的還原功能化策略快速發(fā)展，為CO2的化學轉(zhuǎn)化利用提供了新思路。CO2并不惰性，在熱力學上處于低能態(tài)，H2O、NaOH和格氏試劑等都能與其反應；但大家有時會有一種CO2是種惰性氣體的誤區(qū)，這是因為CO2在動力學上是穩(wěn)定的，需要進行有效活化才能實現(xiàn)其轉(zhuǎn)化。在催化劑作用下，以CO2為合成子通過構(gòu)筑C-C、C-O以及C-N鍵可以獲取多種高附加值的化工產(chǎn)品。 NH3也是一種十分重要的化工原料，在含氮化合物的合成當中起了關鍵作用。然而CO2和NH3的組合利用合成CN化合物未見相關報道。在生物體內(nèi)，在酶催化下，可以由CO2和NH3合成氨甲酰磷酸（CP），這類反應都是先轉(zhuǎn)化為酰胺，再脫水成氰基。受此啟發(fā)，李躍輝等人設想在還原劑的作用下，CO2和NH3形成酰胺化合物，再在催化劑作用下實現(xiàn)芳香化合物的氰基化反應。 首先對反應條件進行篩選，以PhSiH3為還原劑、Cu2O為催化劑、DABCO為配體，在130℃下反應能以76%的收率得到目標產(chǎn)物，溫度升高到180℃，產(chǎn)率可進一步提高到94%。由于180℃溫度太高，后續(xù)的底物拓展溫度控制在130℃。 在優(yōu)化好反應條件后，對底物普適性進行了拓展，各種碘代和溴代芳烴都能以中等收率得到氰基化產(chǎn)物。 該反應在同位素標記化學中有很大的應用價值，利用13C和15N標記的CO2和NH3合成了[13C, 15N]-azilsartan。 基于一些機理實驗，提出了可能的反應機理：首先，在PhSiH3作用下，CO2和NH3形成[Si] -N=C=O中間體c，Cu(I)對碘代芳烴氧化加成得到Cu(III)物種b，隨后發(fā)生Cu/C插入反應得到中間體d，最后消除得到氰基取代的芳烴，而中間體e在硅烷還原下恢復成Cu(I)。 總結(jié)：該反應中氰基源于CO2和NH3，避免了強毒性氰基負離子的使用，而且以同位素標記的CO2和NH3為氰基源，可以選擇性在氰基中引入13C和15N，這在放射化學中具有十分重要的意義。 Wang et al., Chem 4, 1–11 DOI：10.1016/j.chempr.2018.09.009
