【有机】以氨为氮源电化学构建氮杂环- 大数跨境

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2022-02-08

导读：近日，程旭课题组采用四电子氧化的电合成策略，首次实现了氨气对纯碳骨架的环状烯烃的直接插入和扩环，合成了多种异喹啉化合物。

氨是一种简单、易得、稳定的活性氮源，也是大宗工业化学品，是 21 世纪最具潜力的分子之一，被誉为“氨经济”的核心。然而，以氨为氮源的有机合成研究发展存在挑战，主要由于以下三个难点：1) 氨中N-H键能高，断裂需要的能量高；2) 氨过渡金属配位能力强，容易使过渡金属催化剂失活，导致相应的胺化反应需要高温等剧烈的条件；3）产物胺的活性比氨气高，易产生副产物，导致相关转化的化学选择性难以控制。

针对这些挑战，2021年初，南京大学化学化工学院程旭课题组和梁勇课题组、祝艳课题组合作，首次利用电化学方式实现了氨气对四取代烯烃的插入反应，一步合成了多种无保护基的四取代氮杂环丙烷。该方法以甲醇为溶剂，无需外加氧化剂和金属催化剂，而且能实现十克级的放大应用。此外，通过理论计算和循环伏安实验的分析，证实阳极石墨毡电极(GF)和甲醇溶剂的结合使用是避免烯烃的氢化产物、控制该反应化学选择性的关键。该成果在CCS Chemistry 上在线发表（DOI: 10.31635/ccschem.021.202100826）。论文的共同第一作者为南京大学化学化工学院2018级博士生刘帅、2016级本科生赵文轩和2015级博士李进，程旭教授和梁勇教授为该论文的通讯作者。

图1. 电化学条件下氨和多取代烯烃的氮杂环丙烷化反应

近日，程旭课题组采用四电子氧化的电合成策略，首次实现了氨气对纯碳骨架的环状烯烃的直接插入和扩环，合成了多种异喹啉化合物。通过机理研究发现，反应经历关键的氮杂环丙烷中间体，通过骨架重排构建芳香环系。这种方法无需额外的氧化剂，唯一副产物是氢气，无需预官能团化底物，理论原子经济性高达98-99.2%。此外，将该方法与该组前期工作（Green Chem. 2021, 23, 3468-347）相结合，以汉斯酯为起始原料，依次经过脱氢氧化、还原缩环和氨气插入的三步电化学过程，合成了四取代的嘧啶类化合物，无需分离反应中间体。该成果在线发表于Nature Communications。论文的第一作者为2018级博士生刘帅。