南京大学王毅教授课题组：可见光介导钨催化非活化烷烃与硝基芳烃的碳氢胺化反应

南京大学王毅教授课题组利用廉价易得的普通烷烃和硝基芳烃类化合物为原料,在可见光介导多聚钨酸盐催化下，以良好的产率和位置选择性制备了一系列N-烷基芳胺类化合物，同时结合流动化学实现了轻质烷烃的直接胺化，为其后续的工业化应用奠定了基础。

脂肪胺广泛存在于天然产物、药物和材料中。针对其碳-氮键的构建，化学家已经开发了一系列新颖的合成策略，但通常需要官能化的烷基前体（例如烯烃、醛/酮和烷基卤化物）以提高反应性。相比之下，在没有活化或导向基团的情况下，非活化碳-氢键的直接胺化被认为是原子经济和便捷的转化。然而，由于较高的键解离能、难以控制位置选择性以及低溶解性，可行性的轻质烷烃胺化报道较少（图1a）。另一方面，硝基芳烃作为廉价易得的工业原料，被用于与不同的烷基前体如烯烃、卤代烷和硼酸酯反应构建碳-氮键(Csp³–N)(图1b)。

近期，南京大学王毅课题组报道了一种简便高效的碳氮键的构建方法。该过程利用了多聚钨酸盐的双重催化作用：一方面，活化烷烃化合物为烷基自由基；另一方面还原硝基芳烃化合物为亚硝基化合物。随后，亚硝基化合物捕获烷基自由基而生成目标化合物（图1c）。

图1.Csp³-N键构建反应

首先，作者通过对光催化剂、溶剂以及添加剂的优化后，确定了十聚钨酸盐、乙腈和盐酸具有较好的反应性。在最优的条件下，作者探索了各种非活化烷烃的底物兼容性。该反应体系具有较好的底物适用性、位阻选择性和官能团的兼容性，即不同位阻和不同官能团的烷烃均能顺利的与硝基苯反应，以良好的收率和优异的位置选择性得到N-烷基芳胺化合物（图2，上）。

随后，作者又考察了硝基芳烃化合物的适用范围（图2，下）。该反应体系同样适用于各种取代的硝基芳烃化合物。对于多卤取代的硝基化合物也能顺利得到目标化合物，而这类化合物用普通方法难以实现。对于杂环硝基类化合物也能顺利完成转化，其中硝基嘧啶化合物参与反应时，可生成烷基羟胺产物43。

图2 烷烃和硝基化合物的底物拓展

考虑到轻质烷烃的低溶解性和操作危险性，作者利用流动化学技术来增强气液之间的质量传递及降低实验风险。在耐压反应管中，轻质烷烃（乙烷、丙烷、丁烷）可以以中等收率顺利完成转化。在流动相中，轻质烷烃的转化更加快速安全。这为其后续的工业化应用奠定了基础（图3，上）。

最后，作者对反应的中间体及动力学进行了探索，提出了亚硝基化合物和羟胺类化合物为反应的可能中间体。中间体在标准反应条件下可以顺利得到目标化合物。KIE实验得出碳氢键的氢原子转移过程不是反应的决速步，而硝基苯的还原为反应的决速步骤，并且低浓度的硝基苯对反应有利。通过动力学实验，作者计算出反应在室温进行10分钟的动力学速率常数为K_obs=0.0354 M^-0.3 min^-1（图3，下）。

图3 轻质烷烃胺化和反应机理探究

    相关成果近期在线发表于Science China Chemistry。博士研究生王清为文章的第一作者，王毅教授为通讯作者。详细内容见：Qing Wang, Shengyang Ni, Xiaochen Wang, Yi Wang, Yi Pan. Visible-light-mediated tungsten catalyzed C–H amination of unactivated alkanes with nitroarenes. Sci. China. Chem., 2021, doi: 10.1007/s11426-021-1170-2。

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