N-杂环的无受体脱氢（CAD）反应作为一种重要的有机转化，在有机合成和液体有机储氢材料开发中得到了广泛应用。然而，有机分子脱氢释放H₂通常具有热力学不利性，导致该转化较为困难。此类反应通常需要各种金属或非金属络合物在高温下（> 110 ℃）催化反应（图1A，a）。近年来，光氧化还原和金属协同催化策略使得此类反应能够在温和条件下实现（图1A，b）。尽管取得了重大进展，但大部分反应通常需要使用昂贵的钌或铱光催化剂。另一方面，N-杂环的CAD过程通常涉及亚胺、烯胺和1,2-二氢喹啉中间体的生成与转化，因此可以通过调控反应中间体来实现发散性合成（图1B）。

近期，南昌大学黄程/蔡琥课题组利用光/钴协同催化策略，通过调控溶剂，选择性实现了N-杂环无受体脱氢和脱氢偶联芳构化反应。在该光催化体系中，当丙酮作溶剂时，N-杂环可发生脱氢芳构化反应得到杂芳烃产物；当溶剂为DCE时，N-杂环发生脱氢偶联芳构化反应，得到双杂芳烃产物（图1C）。

图1 反应设计

随后，作者进行了机理研究实验（图2）。首先，研究了4CzIPN与1a的Stern-Volmer荧光淬灭实验，表明1a与4CzIPN之间存在单电子转移（SET），且丙酮中4CzIPN的淬灭程度大于在DCE中的淬灭（图2A）。通过电子顺磁共振（EPR）实验和自由基捕获实验证实了α-胺基自由基的存在（图2B）。接下来，作者进行了反应历程研究（图2C和图2D），实验表明在丙酮溶剂中，N-杂环更易脱氢芳构化；而在DCE中，则有利于N-杂环的脱氢偶联。基于上述机理实验结果，作者提出了可能的反应机理（图2E）。

图2 机理研究

随后，作者考察了四氢喹啉（THQ）底物的范围。如图3所示，各种带有烷基、烷氧基和卤素（F、Cl和Br）基团的THQ均有良好的适用性，能够以良好的产率和选择性得到杂芳烃产物（2a-2ad）和双杂芳烃产物（3a-3z）。

图3 底物范围

最后，作者通过药物分子活性片段的修饰（图4A）、连续流动光化学装置开展的放大反应（图4B）以及马来酰亚胺的原位还原氢化反应（图4C），证明了该合成方法的实用性。

综上所述，作者利用光/钴协同催化策略，开发了一种溶剂控制N-杂环无受体脱氢/脱氢偶联芳构化反应。该方案能够通过调控反应溶剂来选择性地获得有价值的杂芳烃和双杂芳烃产物，并在温和条件下产生H₂。该方案避免了贵金属光催化剂和化学计量外部氧化剂的使用。初步的机理研究表明，该反应涉及还原性淬灭循环，α-氨基自由基的生成。

黄程，南昌大学副教授，江西省杰出青年，硕士生导师。长期致力于有机光化学合成技术和连续流动化学技术研究，探索自由基参与的惰性键活化反应和新型偶联反应。主持国家自然科学青年基金项目、江西省自然科学杰出青年基金项目、江西省自然科学青年基金项目、面上项目、南昌大学青年人才培育创新基金项目等。以第一作者或通讯作者身份分别在Chem，Angew. Chem. Int. Ed.，CCS Chemistry, Org. Lett.，Green. Chem.; Chem. Commun., J. Org. Chem., Chem. Eur. J. 等国际期刊上发表SCI论文14篇，获4个授权的中国专利。

蔡琥，南昌大学化学化工学院教授，博士生导师。1996年和1999年在南京大学获得硕士学位和博士学位。1999年-2002年到美国田纳西大学化学系从事博士后研究。2002年-2004年在美国凯斯西储大学化学系任副研究员。2004年-2007年在美国堪萨斯大学化学系从事博士后研究。2007年至今到南昌大学化学化工学院工作，主要从事绿色化学与有机功能分子材料的精准合成。目前主持国家自然科学基金4项，参加国家科技部重点基础研究计划（973）1项。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., CCS Chemistry, Chem. Commun., Org. Lett. Green Chem.等国内外重要学术刊物上发表论文100余篇，授权发明专利多项。

文献详情：

Solvent-Dependent Photocatalytic Acceptorless Dehydrogenation /Dehydrogenation-Coupling-Aromatization of N-Heterocycles

Cheng Huang*, Sheng Tang,Ying Wang, Chen-Lu Wang, Ming-Zhi Du,Jia Qiao,Zhenhong Wei, and Hu Cai*

Organic Letters  DOI: 10.1021/acs.orglett.5c02735

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.5c02735

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