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

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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