【人物与科研】湘潭大学邓国军课题组：无过渡金属条件下芳香酮、醛、铵盐多组分反应选择性合成嘧啶和吡啶类化合物

导语

多组分反应具有操作简单、原子经济性好和资源利用率高等特点，是一类重要的有机化学反应，具有广泛的应用。然而，由于多组分反应中底物活性位点较多，反应的选择性控制是一个挑战性的研究课题。过渡金属催化剂因其具有高活性和高选择性而被广泛应用于控制多组分反应的选择性，但仍存在催化剂价格昂贵和重金属残留等问题。因此，在无过渡金属条件下实现多组分反应的选择性控制具有重要意义。近日，湘潭大学化学学院邓国军教授课题组在无过渡金属条件下从简单易得的芳醛酮、醛和铵盐选择性合成嘧啶和吡啶类化合物。相关成果发表于Green Chem.上（DOI: 10.1039/c9gc02077b）。

邓国军教授课题组简介

邓国军教授课题组成立于2009年3月，目前课题组有教授1人，副教授2人，讲师1人，博士后2人，博士研究生8人，硕士研究生30人。课题组主要从事绿色有机合成与催化反应研究，先后承担了包括7项国家自然科学基金在内的省部级以上项目10余项。在硝基借氢还原、环己酮脱氢芳构化、亚磺酸盐选择性转化反应、肟酯转化反应、吲哚直接功能化反应和无机硫参与的杂环生成反应方面取得了丰富的研究成果，发表SCI论文190余篇，其中12篇论文入选ESI高被引用论文。目前，已经培养博士研究生7名，硕士研究生30余名，5篇论文获湖南省优秀博士、硕士学位论文。

邓国军教授简介

邓国军教授，湘潭大学化学学院院长，二级教授，博士生导师。1999年本科毕业于湘潭大学化学化工学院；2004年在中科院化学所获理学博士学位，师从范青华研究员和黄志镗院士；2004-2009年先后在德国、美国和加拿大从事博士后研究；2009年通过湘潭大学“学科带头人”的人才引进计划，任化学学院教授﹑博士生导师，主要从事环境友好的碳-碳键与碳-杂键形成反应方法学研究；2010年入选湖南省百人计划，2011年入选“教育部新世纪优秀人才支持计划”。迄今已经在Science, Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Org. Lett., Chem. Commun., Green Chem.等期刊上发表SCI论文140余篇，论文他引次数超过4500次（最高他引600余次）；获中国发明专利授权7项，申请专利14项；参与撰写中文论著1部，英文论著3部。牵头组建的绿色有机合成与催化团队2017年获批湖南省重点实验室（绿色有机合成与应用）。“绿色化学导向的醇和酮脱氢转化反应”获2015年度湖南省自然科学二等奖，2016年获第十届湖南省青年科技奖，2017年获“宝钢优秀教师奖”。

前沿科研成果

无过渡金属条件下芳香酮、醛、铵盐多组分反应选择性合成嘧啶和吡啶类化合物

含氮杂环化合物如嘧啶、吡啶等广泛存在于天然产物、生物活性分子和功能材料中，具有重要意义，因此受到了有机化学家的广泛关注。自Brugnatelli和Kolbe合成嘧啶以来（Ann. Chim. Phys. 1818, 8, 201; Justus Liebigs Ann. Chem. 1848, 65, 269），许多嘧啶的合成方法陆续被报道。在这些方法中，腈和脒类化合物通常作为含氮结构被用来构建嘧啶。腈与酮（Org. Lett. 2018, 20, 3399;  Tetrahedron 2002, 58, 10053; Tetrahedron 2002, 58, 3755）或N-乙烯基/芳基酰胺（J. Org. Chem. 2009, 74, 8460; Nat. Protoc. 2007, 2, 2018; J. Am. Chem. Soc. 2006, 148, 14254）的缩合反应，以及腈和炔烃的分子间环加成反应（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11906; Org. Lett. 2017, 19, 5569; Nat. Commun. 2016, 7, 10914; Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 9072）是构建嘧啶的重要方法（Scheme 1a）。然而，这种反应通常需要使用过渡金属催化剂或大量的强质子酸。脒类化合物作为含氮结构通常与酮（Org. Chem. Front. 2017, 4, 1107; J. Org. Chem. 2017, 82, 1145）、炔丙醇（Synlett 2011, 8, 1179）、1,2,3-三嗪（Org. Lett. 2015, 17, 4002; Org. Lett. 2014, 16, 5084; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2119; J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 12285）、烯丙基化合物（J. Org. Chem. 2016, 81, 5538）反应来构建嘧啶类化合物。此外，脒参与的多组分反应也是生成嘧啶的一种有效策略。2015年，Kempe课题组第一个报道了以铱为催化剂，脒和醇反应合成嘧啶的多组分反应（Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 1663）。随后，Kempe和Kirchner用锰催化剂来实现了这类反应（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12804; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15543）（Scheme 1b）。

虽然嘧啶的合成已经取得了长足的发展，但利用简单易得的原料，在简单的条件下通过多组分反应合成嘧啶类化合物仍然值得深入研究。铵盐是构建含氮杂环化合物的理想氮源，因为它们廉价易得、操作简单。尽管如此，但现在以铵盐和简单的有机化合物为原料来构建嘧啶的有效方法依然很少。最近，课题组利用铵盐作为氮源，实现了噻唑（Green Chem. 2019, 21, 986）、喹唑啉（Green Chem. 2018, 20, 5459）和吡啶（Org. Biomol. Chem. 2015, 13, 4404）类化合物的合成。基于课题组最近利用简单的底物通过多组分反应来合成含氮杂环的研究工作（J. Org. Chem. 2019, 84, 568; Chem. Commun. 2019, 55, 4079; J. Org. Chem. 2019, 84, 1238; Org. Chem. Front. 2019, 6, 1146），本文报道了一种以芳香酮、醛和铵盐为原料，选择性生成嘧啶和吡啶的有效策略（Scheme 1c），催化量的NaIO₄在选择性的控制中起到了重要的作用。

Scheme 1. 通过不同氮源合成嘧啶

（来源：Green Chem.）

作者首先以对甲基苯乙酮、苯甲醛、铵盐为原料，对反应条件进行优化（Table 1）。以40 mol% NaIO₄作为添加剂，NH₄OAc作为氮源时，反应得到嘧啶类化合物；而无NaIO₄存在，NH₄I作为氮源时，反应能单一的得到吡啶类化合物。

Table 1. 反应条件优化

（来源：Green Chem.）

为了探究该多组分反应对芳香醛底物的普适性，作者对不同官能团取代的芳香醛进行了考察（Table 2）。当苯甲醛对位带有烷基取代基时都能以较好的产率得到目标产物（3ab-3ad）。对位带有卤素基团（如F、Cl、CF₃和OCF₃）的底物同样能良好地兼容性，能以42-76%的产率得到目标产物 （3ae-3ah）。当取代基位于间位时，对产率影响不大（3ai-3ak），而甲基位于邻位时，产率较低。大位阻的2-萘醛也能顺利进行反应，产率达到68%（3an），这证明该反应具有良好的官能团容忍性。遗憾的是，脂肪醛并不适用于该反应体系。

Table 2. 芳香醛底物拓展

（来源：Green Chem.）

随后，作者又对不同的芳香酮进行了普适性研究（Table 3）。通常的，当苯乙酮对位带有不同供电子基团时，能以中等到良好的产率得到相应的产物（3ba-3ea），卤素和强吸电子基团也能稳定存在。作者对间位、邻位和多取代苯乙酮也进行了考察，发现其均能以良好的产率得到嘧啶产物。芳杂酮和稠环酮也能顺利的进行反应，产率中等（3ta-3va）。

Table 3. 芳香酮底物拓展

（来源：Green Chem.）

作者还考察了该多组分反应合成吡啶类化合物的底物范围（Table 4），带有不同取代基的芳香酮和芳香醛都可顺利进行反应，并以良好至优秀的产率生成2,4,6-三取代吡啶类化合物。

Table 4. 吡啶合成反应的底物拓展

（来源：Green Chem.）

作者为了研究该方法的实用性，通过Suzuki-Miyaura偶联芳化反应、Pd/Cu-催化的Sonogashira偶联炔化反应、和Buchwald-Hartwig胺化反应对嘧啶类化合物3ha进行了一系列结构转化（Scheme 2）。

Scheme 2. 嘧啶产物结构转化

（来源：Green Chem.）

基于实验结果和相关文献，作者提出了一种可能的反应机理（Scheme 3）。首先，对甲基苯乙酮（1a）与苯甲醛（2a）脱水缩合生成查尔酮A，查尔酮A与醋酸铵反应生成中间体B，作者通过GC-MS检测到了中间体B的存在。然后，苯甲醛与醋酸铵反应生成的亚胺中间体与中间体B进行环化反应，得到中间体C。最后，中间体C经氧化脱氢得到目标产物。

Scheme 3. 可能的反应机理

（来源：Green Chem.）

总结：湘潭大学邓国军教授课题组发展了一种在无过渡金属条件下，利用简单易得的芳香酮、芳香醛和铵盐合成嘧啶和吡啶的有效策略。该反应中，两分子醛参与反应，铵盐作为氮源，催化量的NaIO₄对反应的选择性控制中起到重要作用。该反应具有不需要过渡金属催化剂、高选择性、原料简单易得、铵盐作为氮源等优点，为多组分反应合成嘧啶和吡啶类化合物提供了一种简单有效的方法。

这一成果最近发表在Green Chem.上，文章的第一作者是湘潭大学化学学院博士生陈劲进。上述研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、湖南省研究生创新基金的支持。

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