【有机】Angew：Ni修饰氮化碳光催化剂用于芳基卤化物的胺化反应

芳胺类化合物在药物、天然产物、染料、农用化学品和功能材料领域有着十分重要的应用价值。传统上，伯芳胺是通过“硝化-加氢途径”合成的，但这种方法会产生大量对环境有毒的废物，并且由于其苛刻的实验条件而存在官能团不兼容的问题（Scheme 1a）。复杂和敏感的伯芳胺可以通过过渡金属催化的交叉偶联反应获得，例如钯催化（Hartwig-Buchwald、Chan-Lam）和铜催化（Ullmann）芳基卤化物与氨/铵盐的交叉偶联反应（Scheme 1b）。但是这些反应往往需要使用对空气敏感的金属配合物和配体，此外，强碱、高温以及催化剂不可回收等因素限制了此类方法在工业中的应用。因此，发展简单、可持续的合成伯芳胺的方法具有十分重要的研究意义。

光催化作为一种温和、可持续的合成手段，近年来已经广泛应用于仲或者叔芳胺的合成，然而伯芳胺的光催化合成方法仅有个别报道。例如，在强氧化性的光催化剂存在下，富电子芳烃与氨或铵盐通过直接氧化偶联，制备富电子伯芳胺化合物；此外，通过氨与环己基酮缩合，然后使用Ir光敏剂和助催化剂进行脱氢也可以获得伯芳胺化合物。因此，开发一种光催化缺电子伯芳胺的合成方法仍然是一个具有挑战的课题。

Figure 1. Methods for primary aniline synthesis.

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

石墨氮化碳（CN_x）作为有机光催化中的一种新兴材料，具有廉价、稳定、易于制备、光学特性可调节、易于分离和重复使用等特点。为了克服某些催化体系中需要使用CN_x与均相催化剂（例如吡啶配位的Ni配合物）相结合的问题，2021年，剑桥大学Erwin Reisner课题组采用镍沉积的氮化碳作为双重作用催化剂，实现了芳基卤化物与脂肪醇的C-O偶联反应。最近，该课题组又采用镍沉积的多孔氮化碳（Ni-mpg-CN_x）作为多相光催化剂，首次应用于芳基溴化物与叠氮化钠的交叉偶联反应，在温和条件下成功实现了伯芳胺化合物的制备（Figure 1c）。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.202203176）。根据前期的工作，研究者通过TEM、粉末X射线衍射、ATR-IR、UV-Vis对催化剂进行了表征，ICP-OES证实5.9 wt.%的Ni沉积在mpg-CN_x上。

通过反应条件的筛选得出最优的反应条件，在此基础上，作者对反应底物进行了拓展。研究发现，在标准反应条件下，对位含有吸电子基团如腈、酮、酯、酰胺、砜和三氟甲基的芳溴化物可以很好地转化为相应的伯芳胺化合物。需要说明的是，利用之前的光催化方法无法获得含有吸电子基团的伯苯胺。此外，该反应对溴杂芳烃（包括茚满酮、苯酞、喹啉、异喹啉、苯并噻唑和吡啶衍生物）表现出良好至优异的反应性。该催化体系同样适用于芳基碘化物和氯化物。利用该方法还以合成有价值的药物化合物（Figure 2）。

Figure 2. Substrate scope of photocatalytic amination.

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

在4-溴苄腈和叠氮化钠的交叉偶联反应完成（24小时）后，对Ni-mpg-CN_x粉末通过离心回收并重复用于光催化循环（Figure 3a-b）。在后续的反应中观察催化剂到活性逐渐降低，在第4个循环后可获得75%的目标产物。上述结果可以归因于每次循环后材料中会有Ni浸出，这也导致了回收的材料颜色变暗，作者通过HAADF-STEM观察到小的Ni聚集体形成（Figure 3b）。随后，通过在额外的金属Hg、NiCl₂和过量EDTA存在下进行的光催化反应研究表明，浸出的Ni是非活性的（Figure 3c）。实验表明mpg-CN_x基质上沉积的阳离子Ni位点负责催化反应。

Figure 3. (a)Recycling experiment; (b) HAADF-STEM images and color (inset) of Ni-mpg-CN_x;(c) Reactivity studies; (d) Kinetics of photocatalytic amination.

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

接下来，研究者对反应机理进行了探究。当在标准反应条件下进行反应时，4-叠氮基苄腈可以被还原为相应的伯苯胺（收率93%）；然而在避光条件下进行反应时，仅得到4%收率的目标产物。这表明光氧化还原介导的叠氮化物还原为胺是十分有效的。4-溴代苄腈和4-叠氮基苄腈的动力学实验研究显示，伯苯胺的生成速率基本相同（Figure 3d），表明在该反应中4-叠氮基苄腈中间体不会累积。

结合理论计算，研究者给出了可能的反应机理（Figure 4）：

Figure 4. Proposed mechanism of photocatalytic amination reaction.

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

Ni-mpg-CN_x吸收光子产生光生电子和空穴，价带中的光生空穴被三乙胺猝灭，同时光激发电子从mpg-CN_x基质转移到沉积的Ni(II)中心生成Ni(I)物种。随后，Ni(I)与芳基卤代物发生氧化加成（ΔG = 1.7 kcal mol^–1）生成Ni(III)物种。紧接着Ni(III)与NaN₃发生转金属化，生成Ni(III)-叠氮化物中间体。Ni(III)-叠氮化物中间体经历还原消除生成芳基叠氮化物配位的Ni(I)物质。最后，Ni(I)物质发生选择性光还原生成伯芳胺产物，从而完成催化循环。

小结：Erwin Reisner课题组利用Ni-mpg-CN_x作为多相光催化剂，以三乙胺作为电子供体，在可见光驱动下成功实现了芳基卤化物与NaN₃的交叉偶联反应，进而实现了伯芳胺的合成。该反应条件温和，具有很好的官能团兼容性及底物适用性。反应中多相的Ni-mpg-CN_x材料很容易回收，并且可以多次重复使用。Ni-mpg-CN_x光催化剂将在有机光催化反应中具有很好的应用前景。

论文信息：

An Integrated Carbon Nitride-Nickel Photocatalyst for the Amination of Aryl Halides using Sodium Azide

Arjun Vijeta, Carla Casadevall, Erwin Reisner*

Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202203176

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