专栏名称: 研之成理
夯实基础,让基础成就辉煌;传递思想,让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流,旨在创建属于大家的科研乐园!主要内容包括文献赏析,资料分享,科研总结,论文写作,软件使用等。科研路漫漫,我们会一路陪伴你!
目录
相关文章推荐
募格学术  ·  辛苦几小时不如AI几秒?ChatGPT一天时 ... ·  19 小时前  
募格学术  ·  理工大学副校长,任科技厅副厅长! ·  3 天前  
募格学术  ·  省教育厅公示:拟新增29个专业 ·  3 天前  
NaturePortfolio  ·  “不要禁止社交媒体——要适应它” | ... ·  4 天前  
51好读  ›  专栏  ›  研之成理

香港中文/华中师范大学合作,Nature Chemistry!

研之成理  · 公众号  · 科研  · 2025-01-24 06:59

正文

▲第一作者:Tiantian Liang, Zhen Lyu

通讯作者:Gui-Juan Cheng,Fei Ye

通讯单位:香港中文大学,华中师范大学,武汉光化学与技术研究所

DOI:10.1038/s41557-024-01728-1(点击文末「阅读原文」,直达链接)



  


研究背景
硝基芳烃是易于获取的大宗化学品,可作为一系列合成反应的起始原料。然而,由于CAr–NO2键的惰性,未活化硝基芳烃的直接脱硝取代反应仍然具有挑战性。化学家们依靠顺序还原和重氮化,接着进行Sandmeyer反应或活化硝基芳烃的亲核芳香取代来实现硝基转化。


  


研究问题
本文开发了一种在可见光照射下的通用脱硝氯化反应,其中氯自由基通过断裂CAr–NO2键来取代硝基部分。这种实用的方法适用于广泛的未活化硝基(杂)芳烃和硝基烯烃,对空气或湿度不敏感,并且可以在十克规模上顺利进行。这种转化在合成和机理上与以往在热条件下的亲核芳香取代反应有根本不同。密度泛函理论计算揭示了取代反应的可能途径。

图1| 硝基芳烃的转化策略

要点:
1.传统上,亲核芳香取代(SNAr)反应直接将硝基转移到其他官能团。然而,这些取代反应相对较高的活化能障碍限制了底物范围仅限于缺电子的硝基芳烃(即活化的硝基芳烃),并且需要使用强制条件,如高温以及强碱性介质。自2017年以来,中尾小组通过CAr–NO2键断裂进一步扩展了从硝基芳烃出发的成键方式。本文开发了一种交叉偶联策略,使用Pd/BrettPhos催化体系,通过将硝基视为拟卤素来实现C–C和C–N键的形成。这些方法构成了显著的进步,但仍有进一步优化的机会,特别是关于贵金属催化剂的需求。尽管有这些发现,将硝基转化为其他高价值的官能团,特别是那些具有多样反应性的卤化物,而不消耗昂贵的催化剂,对于常见的硝基芳烃来说仍然是一个挑战。

2.本文开发了一种可见光诱导的脱氮氯化反应,该反应在不需要光氧化还原催化剂或贵金属催化剂的情况下,高效地将未活化的硝基芳烃和硝基烯烃转化为氯化产物。这种方法在温和条件下切断CAr–NO2键,直接形成CAr–Cl键(图1c)。与传统的SNAr反应不同,后者需要高温和缺电子底物,这种光化学方法在环境条件下进行,扩大了范围,以包括更广泛的(杂)芳烃和烯烃系统。这一创新为硝基芳烃和硝基烯烃高效转化为高价值的卤化产物开辟了实用的途径,这些产物是制药和材料化学中的关键中间体。

图2|合成应用实例

要点:
1.为进一步展示这一策略的综合价值,通过三个案例研究展示了本文的方案在显著简化芳基氯化物合成方面的能力。第一个案例是3,4-二氯苯并酮10。从市售的4-氯苯并酮开始,目标分子10可以通过Jiao的方法合成,尽管其分离产率低于10%。然而,4-氯苯并酮的硝化反应是选择性的且高产率的。然后本文可以使用脱硝氯化方法在空气气氛下以14克规模(80%产率)制备化合物10,采用简洁、无需柱色谱纯化的后处理程序,只需过滤、萃取和脱色即可获得脱硝氯化产物(图2a)。

2.在第二个案例研究中,三氯生前体49也被选为目标化合物。通过本文的方法,起始材料硝基联苯醚可以通过SNAr反应以超过90%的产率制备,随后进行的脱硝氯化反应在操作和后处理上都很简便,在空气气氛下多克规模上的产率为63%。或者,化合物49可以通过一系列四步反应——SNAr反应、还原、重氮化和Sandmeyer反应,或通过一种非选择性的芳香族CH氯化反应以相对较低的效率来制备,并且起始材料必须通过与化学计量量的铜盐进行耦合反应制备(图2b)。

3.在第三个案例研究中,展示了一个杂环化合物2-甲基苯恶唑。直接C–H氯化未能生成所需产品50,由于区域异构体的形成和氯甲基产品的生成(图2C)。由于硝基可以在氮原子对位高区域选择性地引入,可以利用脱硝氯化方法以63%的分离产率获得化合物50。本文还进行了一项对比实验,用传统的三步法合成50,结果显示通过Sandmeyer反应合成50时仅获得28%的产率。最后,本文成功地通过选择性硝化-脱硝氯化方案对光催化剂Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6进行了改性。使用传统交叉耦合方法获得氯代苯基吡啶配体通常需要昂贵的氯代硼酸(每克61美元)。然而,本文的方法提供了一种低成本的替代方案。在苯基吡啶的选择性硝化以优异的产率完成后,脱硝氯化反应可以成功进行,得到氯代苯基吡啶的分离产率为92%。随后,本文在两步中以88%的产率合成了光催化剂Ir[2-(2,4-二氟-3-氯苯基)-5-(三氟甲基)吡啶]2(4,4′-二叔丁基-2,2′-联吡啶)PF6(Ir[dF(Cl)(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6)。此外,初始苯基吡啶配体的C–H氯化也只提供了24%的产率(图2D)。因此,本文认为脱硝氯化反应可以作为C–H氯化反应和Sandmeyer反应的一个有用补充。

图3| 机理研究

要点:
1.为了阐明脱硝氯化反应的机理,本文进行了一系列实验来研究该反应的机理。在标准条件下,当4-硝基联苯与过量的环己烷存在时,考察了其反应情况,以捕获反应混合物中的氯自由基。正如预期的那样,通过气相色谱/质谱(GC-MS)检测到了氯代环己烷,并且抑制了脱硝氯化反应(图3a)。这些结果表明氯自由基很可能是反应中的一个中间体。此外,反应物的紫外-可见吸收光谱显示,在390 nm的LED照射下,FeCl3的激发态有一个显著的吸收峰,这与文献报道一致(图3b)。而且,当向反应混合物中加入自由基捕捉剂2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基(TEMPO)时,没有观察到期望的产物,这表明反应很可能通过自由基途径进行(图3c)。

2.此外,将由盐酸和次氯酸钠混合产生的氯气通入4-硝基联苯的乙腈溶液中。在紫光照射下,也以超过80%的分离收率获得了脱硝氯化产物。没有光照的情况下没有产物生成,这表明氯自由基最有可能是关键的反应中间体(图3d)。另外,通过在线红外光谱仪(配备三甘氨酸硫酸盐探测器和自制的气体池)进行的现场气相红外(IR)分析显示,在1,630 cm1处有一个吸收峰,这与文献中报告的NO2信号一致。这表明反应中可能产生了NO2气体(图3e)。此外,对反应顶空进行的气相电子顺磁共振实验进一步证实了在390 nm照射下,4-硝基联苯和氯化铁在乙腈溶液中生成了NO2气体。本文还进行了光照开关实验,结果显示在没有光照的情况下反应停止,这表明反应不太可能通过自由基链过程进行。基于这些结果,提出了一个合理的反应机理(图3f)。在紫光照射下,通过从氯配体到铁离子的LMCT解离开始的氯化铁催化的脱硝氯化反应。生成的氯自由基然后经历自由基取代反应,生成相应的芳基氯产物和NO2气体。或者,在没有铁的情况下,氯自由基也可以通过氯离子的直接氧化激发氯气而形成。

图4| 脱硝氯化反应的能量分布图

要点:
1.为了深入理解反应机理,对底物4的脱氮氯化进行了密度泛函理论(DFT)计算(图4)。当加入氯化铁时,会形成各种铁络合物,包括[FeIIICl4]、[FeIIICl4(ACN)2]、FeIIICl3和FeIIICl3(ACN)3,其中ACN为CH3CN。在这些物种中,FeIIICl3(ACN)3(图4中的6A;上标显示了物种的自旋态)在照射下最有可能被激发,因为它的理论吸收波长(389纳米)与实验中使用的光学波长(390纳米)紧密匹配。轨道分析表明,这种吸收归因于配体到金属的电荷转移(LMCT),其中一个电子从氯的p轨道转移到铁的d轨道(图4左面板)。随后,生成的激发态物种6B发生均裂,生成氯自由基以及五重态的5[FeIICl2(CH3CN)3],该过程是放热的,焓变为-38.5千卡/摩尔,比三重态的3[FeIICl2(CH3CN)3]的均裂更有利,后者的焓变为-20.2千卡/摩尔。然后,5[FeIICl2(CH3CN)3]可以被氧化剂氧化,重新生成FeIIICl3(ACN)3,而氯自由基可能会附着到硝基联苯的C4′上,形成稳定的中间体2C。在后续的取代反应中,2C中的Cl必须移动到反应位点,即C4,生成中间体2D,其能量比2C高4.7千卡/摩尔。轨道和自旋分析表明,Cl和碳原子(2C中的C4′和2D中的C4)的p轨道重叠以实现电子离域,从而稳定了自由基。与2C相比,2D能量较高可归因于硝基联苯的扭曲,因为硝基显著偏离分子平面10.1°。尽管稳定性较低,但这种偏离减弱了硝基与苯环之间的共轭,从而激活了硝基联苯并促进了取代反应。随后,硝基与Cl的取代反应通过协同过渡态(2TS1)进行,活化能为13.0千卡/摩尔,生成NO2和氯代联苯产物。在没有铁的情况下,可以通过氯气的光解产生氯自由基,随后进行类似的自由基取代反应。本文通过DFT计算还评估了三重态双自由基硝基联苯底物与氯离子的另一种反应,发现其能垒比与氯自由基的反应高出14.3千卡/摩尔,这支持了氯自由基对于高效脱氮氯化反应的必要性。


  


总结与展望
总之,本文开发了一种实用的策略,在没有贵金属和额外光氧化还原催化剂的情况下,可见光照射下进行一般的直接芳香脱硝氯化反应,以取代NO2部分,展示了广泛的底物范围和广泛的官能团耐受性。在该方案下,各种富电子的硝基芳烃、未活化的硝基杂环和硝基烯烃都得到了很好的耐受。而且,该反应具有操作简便和可扩展性的特点,作为构建CAr–Cl键的实用补充。总的来说,在光照下直接使用NO2部分作为离去基团来断裂CAr–NO2键,为电子不偏的硝基芳烃的芳烃修饰提供了一种独特的方法,为硝基芳烃的转化提供了另一种途径。

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41557-024-01728-1

  


研理云服务器

业务介绍

研理云,研之成理旗下专门针对科学计算领域的高性能计算解决方案提供者。我们提供服务器硬件销售与集群系统搭建与维护服务。

   ● 配置多样(单台塔式、两台塔式、多台机架式),按需定制,质量可靠,性价比高。

 ● 目前已经为全国 100 多个课题组提供过服务器软硬件服务(可提供相同高校或临近高校往期案例咨询)。
 ● 公司服务器应用工程师具有量子化学第一性原理分子动力学等相关学科研究背景。
 ● 公司与多位化学、材料领域理论计算方向专家长期合作,一起探索最优服务器软硬件配置和部署。
 ● 可参与招投标。
产品特色
  ● 定制化硬件配置:提供售前实例测试,为您提供最合适的硬件配置方案。
  ● 一体化软件服务:根据需求发货前,完成系统、环境、队列、计算软件等所有内容的安装与配置,让您实现开机即用
  ● 完善的售后服务:为每位客户建立专属服务群,遇到问题及时解决。大大降低使用学生使用门槛和缓解老师压力。三年硬件质保 + 三年免费软件技术支持。
  ● 已购买客户咨询:我们已有超过100位已购买客户,可以给您提供相同城市或者临近城市已购买客户的联系方式,以提供真实案例咨询  
 ● 赠送课程学习机会:可选课程包括量子化学(Gaussian),第一性原理,(Vasp),分子动力学模拟(Lammps、Grommacs),钙钛矿计算模拟(Vasp)等。具体赠送方案以沟通结果为准。



扫码添加客服微信

1. 仪器表征基础知识汇总
2. SCI论文写作专题汇总
3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总
4. 理论化学基础知识汇总
5. 催化板块汇总
6. 电化学-电池相关内容汇总贴
7. 研之成理名师志汇总
更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。