二噁唑啉酮具有易制备、活性高、安全性好、与金属中心配位能力强等特点，近年来已成为通过C-H键活化直接构建C-N键的高效试剂。二噁唑啉酮在参与化学转化时有两种反应方式：1）二噁唑啉酮在导向基的辅助下，与过渡金属（M）配位，再通过迁移插入M-C键，得到所需的酰胺化产物。2）二噁唑啉酮类化合物可经历Curtius重排反应生成异氰酸酯， 在亲核试剂进攻下生成羧酰胺化产物。但迄今尚未有两种转化模式在同一反应中的报道。因此为了满足有机合成的多样性，拓展二噁唑啉酮在有机合成中的应用，郑州大学崔秀灵教授和皮超博士课题组报道了钴催化二噁唑啉酮与1-芳基吡唑烷酮直接C-H键和N-H键官能团化反应。在该反应中，二噁唑啉酮作为二合成子，通过氮烯中间体和Curtius重排同时一锅构筑了三个新的C-N键（图1）。相关研究成果以“Cobalt(II)-Catalyzed C-H and N-H Functionalization of 1-Arylpyrazolidinones with Dioxazolones as Bifunctional Synthons”为题发表在Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01780）。
图1. 二噁唑啉酮作为双合成子参与反应（来源：Org. Lett.）
通过使用4,4-二甲基-1-苯基-3-吡唑烷酮1a和1,4-2-二噁唑啉-5-酮2a为底物对反应条件进行了优化，确定了优化反应条件为：在110 ℃下，用10 mol％的Co(acac)2为催化剂，DCE为溶剂，无需任何额外添加剂，反应14 h，可以80％的产率获得目标产物。为了考察该方法对底物的普适性，作者首先考察了4,4-二甲基-1-苯基-3-吡唑烷酮苯环上的电子效应，无论在苯环对位和间位上引入吸电子基还是供电子基，底物均能顺利反应，具有良好的官能团兼容性，且产率中等至良好。此外，双取代的吡唑烷酮也能顺利参与转化，且产率较好（图2）。
图2. 底物1范围的拓展（来源：Org. Lett.）
然后对苯环上各种官能团取代的二噁唑啉酮进行了普适性研究，发现在其间位或对位上引入供电子基（OMe、Me）或吸电子基（CF3、NO2）以及卤素都具有良好的耐受性，使用杂环取代的二噁唑啉酮，如噻吩噁唑酮，反应也能顺利进行。但同样在苯环邻位引入取代基时，底物依然无法顺利转化，由此可见空间位阻效应对该反应有较大影响（图3）。
图3. 底物2范围的拓展（来源：Org. Lett.）
最后，根据对照实验以及相关文献的报道，推测反应机理如下：首先，二噁唑啉酮的羰基氧与Co(acac)2发生配位，菲尼酮的氮原子进攻二噁唑啉酮，进而发生亲核加成反应生成酰基氮烯前体B，随后，酰基氮烯前体发生Curtius重排并分解生成异氰酸酯和CO2气体。菲尼酮的氮原子进攻异氰酸酯的碳原子生成中间体C。随后中间体C与金属发生配位并脱氢氧化生成亚胺中间体E，之后中间体E被另一分子的菲尼酮亲核进攻生成中间体F，中间体C以及F的相对分子质量均被高分辨质谱（HRMS）检测到。随后中间体F经历类似的氧化过程生成中间体H，接着与另一分子二噁唑啉酮发生反应，随后脱羧得到最终目标产物3aa（图4）。
图4. 可能的反应机理（来源：Org. Lett.）
该课题组报道了钴催化1-芳基吡唑烷酮与二噁唑啉酮的C-H和N-H官能团化反应，并同时获得了酰胺化和重排后的产物。在这一转化过程中，二噁唑啉酮既作为酰基氮烯前体，又可以通过Curtius重排反应作为羧酰胺化试剂。与之前的报道相比，本方发表现出了二噁唑啉酮在有机转化中的独特性质，并以“一锅”的方式简单、高效地形成了三个C-N键。此外，Co(II)(acac)2是一种廉价的催化剂参与催化循环，并且在此过程中不需要加入任何额外的添加剂，条件简单，符合绿色催化和可持续发展的理念。该研究进一步拓展了二噁唑啉酮在有机合成中的应用，有望使其在构建C-N键领域进一步得到发展。
硕士生韩喜梁为本文的第一作者，崔秀灵教授和皮超博士为本文共同通讯作者。该论文第一单位为郑州大学化学学院绿色催化中心。该工作得到了国家重点研发国际合作专项、河南省杰出外籍科学家工作室、河南省科技攻关项目的资助。
课题组主要从事绿色有机合成化学、金属有机化学方面的研究。近年来集中研究内置氧化剂的C-H官能团化反应、杂环的合成等。开创了内置氧化剂脱氢偶联反应，喹啉氮氧与烯烃在无外加氧化剂条件下的脱氢偶联反应被称为崔-吴偶联反应；借用二茂铁的氧化还原特性，在光学纯氨基酸存在下，高效、高立体选择性地合成系列具有平面手性的1,2-二取代二茂铁衍生物。迄今为止，相关研究在Chem.
Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem Sci.、ACS
Catal.、Green Chem.、Org. Lett.、Chem. Commun.、Org. Chem. Front.、Chin.
Chem. Lett.等国际知名期刊上发表系列论文。
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