近日，哈工大深圳校區(qū)的夏吾炯教授和楊超教授發(fā)展了一種可見光引發(fā)，廉價易得的溴化鐵(III)催化的烯烴硒胺化反應(yīng)。反應(yīng)無需添加外源氧化劑、配體和堿，在空氣氛圍下即可順利進(jìn)行。較已發(fā)展的烯烴硒胺化反應(yīng)，該反應(yīng)的底物適用性有了較大提高，芳香伯胺可以參與碳氮鍵的構(gòu)成。通過機(jī)理研究，作者提出了一種光敏的鐵-胺絡(luò)合物作為反應(yīng)關(guān)鍵中間體。相關(guān)成果發(fā)表在Green Chem.（DOI: 10.1039/c9gc04163j）上。
可見光催化由于具有條件溫和、環(huán)境友好的特性近年發(fā)展迅速，但應(yīng)用廣泛的光敏銥、釕復(fù)合物具有毒性高、價格昂貴等缺點(diǎn)，用作替代物的有機(jī)染料也存在氧化還原窗口窄、在體系內(nèi)易失活等缺點(diǎn)，因此發(fā)展廉價易得的高效光催化體系依然是重要研究課題。鐵在自然界廣泛存在，但鐵作為催化劑參與可見光過程的反應(yīng)依然有限。余達(dá)剛課題組發(fā)展了可見光引發(fā)、鐵催化烯烴的羧硫醚化反應(yīng)（Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 15416.），較傳統(tǒng)熱活化而言，反應(yīng)條件溫和是其最大優(yōu)勢。有機(jī)硒參與多種生物過程并在藥物、材料化學(xué)中扮演特殊角色。因此，高效地在有機(jī)分子中引入含硒官能團(tuán)將極大促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的研究。其中，烯烴硒胺化反應(yīng)可用于合成具有獨(dú)特功能的α-氨基硒化合物，以往通過硒胺化方法合成此類分子需添加化學(xué)計量的外源氧化劑或者添加劑，而且反應(yīng)對普通伯胺無法兼容?？紤]到傳統(tǒng)硒胺化反應(yīng)的缺點(diǎn)以及鐵光氧化還原催化的獨(dú)特優(yōu)勢，哈工大深圳校區(qū)的夏吾炯教授和楊超教授發(fā)展了一種無需外源添加劑的鐵光氧化還原催化的烯烴硒胺化反應(yīng)，反應(yīng)兼容多種官能團(tuán)，不同種類的烯烴、胺及二硒醚均可以順利發(fā)生轉(zhuǎn)化。通過機(jī)理研究，作者推測一種能接受可見光激發(fā)的鐵-胺絡(luò)合物可能是反應(yīng)的關(guān)鍵中間體（Fig. 1）。
(圖片來源：Green Chem.)
作者以苯乙烯、苯胺和二苯基二硒醚的反應(yīng)為模型反應(yīng)對反應(yīng)條件進(jìn)行了探索（Table 1）。經(jīng)篩選，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)三者當(dāng)量比例為1：1.5：0.6時，以市售溴化鐵(III)為催化劑，在乙酸乙酯和空氣氛圍下使用兩只15 W藍(lán)色LED燈光照24小時，能以出色收率得到4a。使用其他常見的光催化劑時，僅有痕量產(chǎn)物生成，而以其他過渡金屬為催化劑時，反應(yīng)效率有不同程度下降。氯化鐵(III)作為催化劑的反應(yīng)效果顯示，陰離子的類型對于收率也有明顯的影響。以紫外光為光源時，反應(yīng)時間大大縮短，但收率降低。通過對照實(shí)驗(yàn)，作者發(fā)現(xiàn)鐵催化劑和光照對反應(yīng)是必要的。至此，通過對反應(yīng)參數(shù)的篩選，作者確定了最優(yōu)反應(yīng)條件。
(圖片來源：Green Chem.)
作者隨后分別對烯烴、胺和硒醚的適用性進(jìn)行了考察（Table 2-4）。作者首先固定苯胺和二苯基二硒醚，對烯烴的范圍進(jìn)行了探索。作者發(fā)現(xiàn)芳環(huán)各位置取代基電子效應(yīng)對反應(yīng)影響較小，均可以中等至優(yōu)秀收率得到胺硒化產(chǎn)物。多取代苯乙烯也可以很好地兼容反應(yīng)。值得注意的是，未活化烷基烯烴（4v-w）和具有一定位阻的稠環(huán)烯烴（4x）也可以發(fā)生轉(zhuǎn)化。但是，進(jìn)一步增加烯烴空間環(huán)境位阻時，無反應(yīng)發(fā)生（4y）。此外，該反應(yīng)對雜環(huán)乙烯不兼容（4z）。 
(圖片來源：Green Chem.)
多種芳胺對此反應(yīng)都表現(xiàn)出極高的兼容性（Table 3）。苯胺的電子效應(yīng)對反應(yīng)的影響較為明顯，缺電子芳胺的反應(yīng)效率普遍較富電子芳胺高，這樣的規(guī)律表明該反應(yīng)經(jīng)歷胺的氧化/去質(zhì)子機(jī)理的可能性較小。在此基礎(chǔ)上，作者發(fā)現(xiàn)極缺電子的五氟苯胺也可以順利發(fā)生反應(yīng)，以高收率得到α-五氟苯氨基硒5y。此外，一些其他文獻(xiàn)報道過的二級胺和芳香雜環(huán)胺也被證明可以很好地兼容反應(yīng)。美中不足的是，烷基胺在此條件下無反應(yīng)發(fā)生，作者推測這可能是因?yàn)橥榛放c鐵的絡(luò)合物在藍(lán)光波段內(nèi)無吸收。
(圖片來源：Green Chem.)
作者隨后探索了幾種二硒醚在已建立反應(yīng)條件下的表現(xiàn)（Table 4）。其中，鄰/對位取代的芳基硒醚電子效應(yīng)對反應(yīng)影響不大，均能以中等收率得到偶聯(lián)產(chǎn)物。值得注意的是，烷基二硒醚同樣適用于該反應(yīng)，以28%的收率得到相應(yīng)烷基硒醚，為有機(jī)硒類化合物的多樣化合成提供了一種可行手段。但是，當(dāng)作者以同一族的二苯基二硫醚為底物嘗試合成α-氨基硫醚時，反應(yīng)未發(fā)生，這可能是由于硫醚的還原性較相應(yīng)的硒醚低。
(圖片來源：Green Chem.)
作者最后對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探索（Scheme 1）。通過對照試驗(yàn)，作者捕捉了可能中間體。首先通過對自由基捕獲劑進(jìn)行篩選，作者發(fā)現(xiàn)TEMPO對反應(yīng)的抑制效應(yīng)最強(qiáng)。向反應(yīng)中加入5當(dāng)量TEMPO時，目標(biāo)產(chǎn)物4a收率降至41%，同時作者分離得到24% TEMPO加合物Ad。另外，向反應(yīng)體系中引入10當(dāng)量水時，作者以20%的收率得到了苯甲?；a(chǎn)物Bp。
(圖片來源：Green Chem.)
作者進(jìn)一步通過紫外-可見光譜探究反應(yīng)可能歷程（Fig 2）。作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵催化劑與苯胺在乙酸乙酯中混合時，混合物于469 nm處有最大吸收，該波長恰巧位于藍(lán)光波段內(nèi)，而催化劑單獨(dú)或與其他組分混合時無此現(xiàn)象。烷基胺與催化劑絡(luò)合物可能正是缺少在藍(lán)光波段的吸收從而造成無反應(yīng)發(fā)生。
(圖片來源：Green Chem.)
通過熒光淬滅實(shí)驗(yàn)，作者對鐵-胺絡(luò)合物激發(fā)態(tài)的淬滅物進(jìn)行了研究（Fig 3）。Stern–Volmer曲線表明，二硒醚對該復(fù)合物具有淬滅作用而烯烴與該絡(luò)合物并無相互作用。
(圖片來源：Green Chem.)
基于上述實(shí)驗(yàn)，作者提出了如下反應(yīng)機(jī)理（Scheme 2）。鐵-胺絡(luò)合物A首先被藍(lán)光激發(fā)生成激發(fā)態(tài)絡(luò)合物B，其與二硒醚發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移生成二硒醚自由基正離子，硒硒鍵斷裂生成硒自由基與硒正離子，兩者均能與烯烴反應(yīng)生成碳硒鍵，而受硒自由基進(jìn)攻生成的芐基自由基D也會迅速被氧化生成芐基碳正離子E。碳正離子E隨后受親核性芳胺的進(jìn)攻得到產(chǎn)物或與還原態(tài)的絡(luò)合物C反應(yīng)并釋放出鐵(II)，絡(luò)合物C和鐵(II)最終都被氧化生成相應(yīng)的鐵(III)完成催化循環(huán)。另一方面，碳正離子E也會被體系中的少量水分捕獲，接著被進(jìn)一步氧化得到含羰基的副產(chǎn)物Bp。
(圖片來源：Green Chem.)
總結(jié)：哈工大深圳校區(qū)的夏吾炯教授和楊超教授發(fā)展了一種無需外源添加劑的鐵光氧化還原催化的烯烴硒胺化反應(yīng)，該反應(yīng)對不同的底物，包括非活化烯烴、芳香伯胺以及烷基二硒醚兼容，可用于多種碳硒鍵與碳胺鍵的同時構(gòu)建，為具有重要功效的α-氨基硒醚的快速合成提供了行之有效的方案。通過多種手段，作者對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探索，創(chuàng)新性地提出了激發(fā)態(tài)的鐵-胺絡(luò)合物作為關(guān)鍵中間體的機(jī)理。該反應(yīng)條件溫和，綠色環(huán)保，在含硒有機(jī)物的合成及生產(chǎn)中具有較大的潛在應(yīng)用價值。
