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。反應無需添加外源氧化劑、配體和堿，在空氣氛圍下即可順利進行。較已發(fā)展的烯烴硒胺化反應，該反應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成。通過機理研究，作者提出了一種光敏的鐵-胺絡合物作為反應關鍵中間體。相關成果發(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，但應用廣泛的光敏銥、釕復合物具有毒性高、價格昂貴等缺點，用作替代物的有機染料也存在氧化還原窗口窄、在體系內易失活等缺點，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依然有限。余達剛課題組發(fā)展了可見光引發(fā)、鐵催化烯烴的羧硫醚化反應（Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 15416.），較傳統(tǒng)熱活化而言，反應條件溫和是其最大優(yōu)勢。有機硒參與多種生物過程并在藥物、材料化學中扮演特殊角色。因此，高效地在有機分子中引入含硒官能團將極大促進相關學科的研究。其中，烯烴硒胺化反應可用于合成具有獨特功能的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計量的外源氧化劑或者添加劑，而且反應對普通伯胺無法兼容?？紤]到傳統(tǒng)硒胺化反應的缺點以及鐵光氧化還原催化的獨特優(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，反應兼容多種官能團，不同種類的烯烴、胺及二硒醚均可以順利發(fā)生轉化。通過機理研究，作者推測一種能接受可見光激發(fā)的鐵-胺絡合物可能是反應的關鍵中間體（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為模型反應對反應條件進行了探索（Table 1）。經篩選，作者發(fā)現當三者當量比例為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，僅有痕量產物生成，而以其他過渡金屬為催化劑時，反應效率有不同程度下降。氯化鐵(III)作為催化劑的反應效果顯示，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，反應時間大大縮短，但收率降低。通過對照實驗，作者發(fā)現鐵催化劑和光照對反應是必要的。至此，通過對反應參數的篩選，作者確定了最優(yōu)反應條件。
(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，對烯烴的范圍進行了探索。作者發(fā)現芳環(huán)各位置取代基電子效應對反應影響較小，均可以中等至優(yōu)秀收率得到胺硒化產物。多取代苯乙烯也可以很好地兼容反應。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)生轉化。但是，進一步增加烯烴空間環(huán)境位阻時，無反應發(fā)生（4y）。此外，該反應對雜環(huán)乙烯不兼容（4z）。 
(圖片來源：Green Chem.)
多種芳胺對此反應都表現出極高的兼容性（Table 3）。苯胺的電子效應對反應的影響較為明顯，缺電子芳胺的反應效率普遍較富電子芳胺高，這樣的規(guī)律表明該反應經歷胺的氧化/去質子機理的可能性較小。在此基礎上，作者發(fā)現極缺電子的五氟苯胺也可以順利發(fā)生反應，以高收率得到α-五氟苯氨基硒5y。此外，一些其他文獻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。美中不足的是，烷基胺在此條件下無反應發(fā)生，作者推測這可能是因為烷基胺與鐵的絡合物在藍光波段內無吸收。
(圖片來源：Green Chem.)
作者隨后探索了幾種二硒醚在已建立反應條件下的表現（Table 4）。其中，鄰/對位取代的芳基硒醚電子效應對反應影響不大，均能以中等收率得到偶聯產物。值得注意的是，烷基二硒醚同樣適用于該反應，以28%的收率得到相應烷基硒醚，為有機硒類化合物的多樣化合成提供了一種可行手段。但是，當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，反應未發(fā)生，這可能是由于硫醚的還原性較相應的硒醚低。
(圖片來源：Green Chem.)
作者最后對反應機理進行了探索（Scheme 1）。通過對照試驗，作者捕捉了可能中間體。首先通過對自由基捕獲劑進行篩選，作者發(fā)現TEMPO對反應的抑制效應最強。向反應中加入5當量TEMPO時，目標產物4a收率降至41%，同時作者分離得到24% TEMPO加合物Ad。另外，向反應體系中引入10當量水時，作者以20%的收率得到了苯甲?；a物Bp。
(圖片來源：Green Chem.)
作者進一步通過紫外-可見光譜探究反應可能歷程（Fig 2）。作者發(fā)現當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，該波長恰巧位于藍光波段內，而催化劑單獨或與其他組分混合時無此現象。烷基胺與催化劑絡合物可能正是缺少在藍光波段的吸收從而造成無反應發(fā)生。
(圖片來源：Green Chem.)
通過熒光淬滅實驗，作者對鐵-胺絡合物激發(fā)態(tài)的淬滅物進行了研究（Fig 3）。Stern–Volmer曲線表明，二硒醚對該復合物具有淬滅作用而烯烴與該絡合物并無相互作用。
(圖片來源：Green Chem.)
基于上述實驗，作者提出了如下反應機理（Scheme 2）。鐵-胺絡合物A首先被藍光激發(fā)生成激發(fā)態(tài)絡合物B，其與二硒醚發(fā)生單電子轉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生成碳硒鍵，而受硒自由基進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攻得到產物或與還原態(tài)的絡合物C反應并釋放出鐵(II)，絡合物C和鐵(II)最終都被氧化生成相應的鐵(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，接著被進一步氧化得到含羰基的副產物Bp。
(圖片來源：Green Chem.)
總結：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，該反應對不同的底物，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，作者對反應機理進行了探索，創(chuàng)新性地提出了激發(fā)態(tài)的鐵-胺絡合物作為關鍵中間體的機理。該反應條件溫和，綠色環(huán)保，在含硒有機物的合成及生產中具有較大的潛在應用價值。
