以硝基芳烃作为起始原料，可通过分子内或分子间的C-N还原偶联反应高效构筑有价值的氮杂环结构。近日，湘潭大学化学学院黄华文教授报道了一种无需额外的氧化剂、氢受体和析氢金属催化剂，通过可见光驱动的能量转移策略实现了硝基芳烃借氢还原/脱氢芳构化/环化反应。在该催化方法下，以原子经济的方式合成了结构上有价值的嘧啶并吲唑和咔唑系列产物。相关成果在线发表于Organic Letters（DOI：10.1021/acs.orglett.2c02894）。
近年来，可见光介导的光化学脱氢芳构化为（杂）芳烃提供了一种实用的合成策略。饱和N-杂环的光诱导催化脱氢生成N-杂芳烃引起了广泛关注。四氢喹啉和吲哚啉等这类饱和N-杂环的光化学脱氢策略主要依赖于O2、TBHP、磺酰氯等外部氧化剂的使用，以及在无受体的脱氢过程中与析氢金属催化剂（Co和Pd）或氢原子转移（HAT）催化剂的结合使用（图 1a）。最近，Leonori和Hong分别通过基与光氧化还原/钴双催化和C6F5I介导的氢攫取，实现了氨基环己烯的光催化脱氢芳构化（图1b）。过渡金属催化脱氢芳构化中借氢还原策略已经取得了很好的发展，作者推测该策略可以与光氧化还原催化合并，实现温和条件下的氧化脱氢和借氢还原。基于此，湘潭大学黄华文教授课题组报道一种温和的可见光诱导的借氢还原/脱氢芳构化策略，实现了2-取代的四氢嘧啶和环己烯硝基芳烃的分子内脱氢芳构化及环化，合成了在药物、生物活性等方面具有潜在应用价值的嘧啶并吲唑和咔唑类产物（图 1c）。
图1. 可见光诱导的光化学脱氢芳构化（来源：Organic Letters）
作者选择2-四氢嘧啶硝基苯（1a）作为模型底物来探索目标反应，经过条件筛选和优化，作者确定[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbpy)]PF6为光催化剂，以1,4-dioxane为溶剂，氩气氛围中用35 W蓝光LED在60 ℃照射72 h，该脱氢芳构化反应可以85%产率得到目标产物2a。
随后，作者考察了光化学2-四氢嘧啶基硝基芳烃的脱氢/胺化反应的底物普适性范围。如图2所示，连接在2-四氢嘧啶基硝基芳烃苯环上的一系列官能团，如甲氧基（2b）、卤素（2c-f）、苯基（2g, h）、萘基（2i）和三氟甲基（2j）化合物反应兼容性良好。含有噻吩杂环（2k）的底物也能成功地进行脱氢环化。随后，作者研究了带有氨基取代基的硝基芳烃的反应效率和选择性。当使用吗啉和二正丁胺取代的2-四氢嘧啶基硝基芳烃化合物，以中等的产率获得相应的产物2l和2n。二氧戊环产物2p的产率中等。一些产物如2m、2o和2q在该条件下的反应效率非常低，在体系中添加了催化量的PdCl2和PPh3，则以中等的产率顺利获得所需的脱氢环化产物。
图2. 嘧啶并[1,2-b]吲唑的光化学催化脱氢反应范围。（a额外添加 10 mol% PdCl2 和 20 mol% PPh3）（来源：Organic Letters）
接着，作者把新开发的催化脱氢/氢还原方法应用于2-环己烯基硝基芳族底物。在先前优化的反应条件下，以2-环己烯基硝基芳烃3a作为原料进行反应，以52%的产率获得脱氢产物咔唑4a，但同时也形成大量副产物四氢咔唑4a'。为了提高脱氢环化产物的收率和选择性，作者通过添加一些添加剂来调整反应条件。实验结果表明，催化量的PdCl2和PPh3的组合使用有利于脱氢反应的转化，最终咔唑产物4a的产率为78%（更多详细见Supporting Information）。
在改进后的条件下，作者对各种取代的2-环己烯基硝基芳烃的底物范围进行了考察。如图3所示，底物含有甲氧基（4b，c）、甲基（4d）、卤素（4e、4g、4h、4l）、三氟甲基（4f）、腈（4i）、甲酰基（4j）、酯（4k），甚至游离羟甲基（4m）都顺利获得了相应的脱氢环化产物。值得注意的是，在4b和4i等低收率的情况下，竞争性地形成了副产物四氢咔唑。此外，氮杂咔唑4n也能兼容该催化体系。随后，作者对苯环上含有生物活性衍生物的2-环己烯基硝基芳烃应用于当前光诱导催化脱氢体系。例如，环丙贝特（4o）、萘普生（4p）和吲哚美辛（4q）的衍生物都以中等的收率生成脱氢环化产物。
图3. 光诱导催化借氢还原/脱氢芳香化生成咔唑的范围（来源：Organic Letters）
此外，作者做了大量的反应机理研究和一系列控制性实验，如紫外-可见光谱吸收实验、荧光淬灭实验、循环伏安测试实验、自由基捕获实验、开关灯实验等。实验结果表明，该催化过程可能是激发的光催化剂通过能量转移活化硝基芳烃形成活性单线态物质而引发的反应。
最后，作者提出了该光催化脱氢/环化序列的机理。如图4所示，在可见光照射下，[IrIII]催化剂通过能量转移（ET）将3a光敏化为其激发态*3a。光活化*3a通过氢原子转移（HAT）生成中间体I-1，随后经历单电子转移（SET）生成中间体I-2。中间体I-2经历质子转移以形成I-3，同时消除水以产生亚硝基苯物种I-4。随后，I-4将参与第二个连续的ET/HAT/SET过程，最终生成邻羟胺联苯I-5。中间体I-5消除一个水分子得到氮宾中间体I-6，然后氮宾插入生成环化产物4a。钯催化剂在咔唑形成中的确切作用现阶段尚不清楚，作者推测可能在HAT过程中有助于提高借氢还原/脱氢芳构化的选择性。
图4. 可能的反应机理（来源：Organic Letters）
综上所述，作者开发了一种可见光催化有序脱氢/环化策略，可从容易获得的硝基芳烃合成嘧啶并[1,2-b]吲唑和咔唑。该反应具有不需要额外的氧化剂、氢受体和析氢金属催化剂等优良特性。该原子经济性合成策略可能启发其他光化学借氢还原/脱氢芳构化反应的开发和利用，并进一步用于构建重要药理活性分子等方面。
研究成果以“Hydrogen-Borrowing
Reduction/Dehydrogenative Aromatization of Nitroarenes through
Visible-Light-Induced Energy Transfer: An Entry to Pyrimidoindazoles and
Carbazoles”为题，发表在期刊Organic Letters上。湘潭大学化学学院博士研究生屈中华为本文第一作者，论文通讯作者为湘潭大学黄华文教授。研究工作得到了国家自然科学基金（22071211，21961011）、湖南省教育厅科研基金（21A0079）、湖南省研究生创新基金（XDCX2021B155）、河南师范大学化学化工学院开放研究基金（2022C02）的支持。 黄华文教授，2009年6月毕业于西北大学，获工学学士学位。2014毕业于华南理工大学，获工学博士学位，同年7月进入湘潭大学化学学院工作，随即加入以邓国军教授为学科带头人的“绿色合成与催化”团队。2016年获得中国留学基金委支持以博士后身份赴哥廷根大学进修，合作导师Lutz Ackermann教授。2019年获中共湖南省委“湖湘青年英才”称号。2020年获湖南省优秀青年基金。2021年获湖南省化学化工学会第十七届青年化学化工奖。现为湘潭大学化学学院教授、博士生导师。参加工作以来围绕“环境友好型有机合成化学新策略开发和应用”这一主题展开研究，并取得了一系列原创性成果。目前以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文90余篇（中科院一区论文50余篇）。论文他引次数超过4400次，先后有5篇论文入选ESI高被引论文，3篇论文入选Green Chem.年度热点论文。申请专利15项（授权8项）。担任J. Am. Chem. Soc.、ACS Catal.、Green Chem.、Org. Lett.等国际权威期刊的独立通讯审稿人，Chin. Chem. Lett.及Chin. J. Org. Chem.期刊青年编委。
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