中科院蘭州化物所的李躍輝老師和蘇州大學(xué)鄭超湳老師合作報道了源于CO2和NH3的催化氰基化反應(yīng)，在Cu2O/DABCO的催化下，可高效實(shí)現(xiàn)碘代和溴代芳烴的氰基化反應(yīng)，并且通過同位素標(biāo)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(yīng)且無需氰基負(fù)離子參與
C和N源于CO2和NH3
可以選擇性實(shí)現(xiàn)C和N的同位素標(biāo)記
銅催化的小分子活化反應(yīng)
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(tuán)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(xué)轉(zhuǎn)化利用提供了新思路。CO2并不惰性，在熱力學(xué)上處于低能態(tài)，H2O、NaOH和格氏試劑等都能與其反應(yīng)；但大家有時會有一種CO2是種惰性氣體的誤區(qū)，這是因?yàn)镃O2在動力學(xué)上是穩(wěn)定的，需要進(jìn)行有效活化才能實(shí)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(dāng)中起了關(guān)鍵作用。然而CO2和NH3的組合利用合成CN化合物未見相關(guān)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(yīng)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(shè)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(shí)現(xiàn)芳香化合物的氰基化反應(yīng)。 首先對反應(yīng)條件進(jìn)行篩選，以PhSiH3為還原劑、Cu2O為催化劑、DABCO為配體，在130℃下反應(yīng)能以76%的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物，溫度升高到180℃，產(chǎn)率可進(jìn)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(yīng)條件后，對底物普適性進(jìn)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(yīng)在同位素標(biāo)記化學(xué)中有很大的應(yīng)用價值，利用13C和15N標(biāo)記的CO2和NH3合成了[13C, 15N]-azilsartan。 基于一些機(jī)理實(shí)驗(yàn)，提出了可能的反應(yīng)機(jī)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(yīng)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(fù)成Cu(I)。 總結(jié)：該反應(yīng)中氰基源于CO2和NH3，避免了強(qiáng)毒性氰基負(fù)離子的使用，而且以同位素標(biāo)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(xué)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
