【科研速递】材化学院邵欣欣等在Nature Communications发表 烷基碘化物的胺化反应新成果

近日，我校材料与化学化工学院特聘研究员邵欣欣、卢华教授在烷基碘化物的自由基胺化研究上取得最新研究进展，相关成果以题为“Transition-metal free C–N bond formation from alkyl iodides and diazonium salts via halogen-atom transfer”发表于Nature Communications（《自然-通讯》）。

精准而有效地构筑碳-氮键是制备胺及其衍生物的主要策略，是合成化学领域的热点与难点。烷基卤化物的氨解反应是较为经典且使用比较广泛的方法，在反应机理上其主要经过S_N2（双分子亲核取代反应）历程，比较适用于位阻较小的一级烷基卤化物；随着碳原子上的取代基增多，位阻效应开始突显，对于二级或者三级烷基卤化物来说上述氨解反应中往往并不适用，在这些体系中底物更容易发生消除反应从而转化成副产物烯烃。

很多研究表明，通过卤原子转移（Halogen Atom Transfer, XAT）是形成烷基碳自由基一种重要的方法，其产生自由基的方式与氧化还原电势的匹配程度无较大关联，只与与碳卤键的电解离能(BDE)和极化率相关。基于此概念，也针对双分子亲核取代反应的局限，研究者提出了利用碳自由基特别是三级碳自由基高反应活性这一特点，以常见的卤代烷烃为起始反应物，在碱和芳基重氮盐的存在下通过卤素原子转移（Halogen Atom Transfer, XAT）过程实现了胺化反应（图1）。在这项研究中，研究者利用亲核性的芳基自由基攫取卤代烷烃中的卤素原子现场生成高活性的烷基碳自由基，同时得到热力学更为稳定的芳基碘化物，该过程是热力学有利的；密度泛函数计算表明也在反应中过渡态极性效应的相互作用促进了电荷转移降低反应能垒，此过程在动力学上也较为有利。值得指出的是，在该转化过程中，芳基重氮盐表现出两个重要作用：芳基自由基前体（烷基自由基引发剂）与胺化试剂。

图1. 碳氮键构筑方法比较和该课题设想 (来源Nature Communications)

研究者系统地开展反应条件筛选、底物普适性考察、方法多样性转化和机理实验探究等实验，成功制备了一系列烷基-芳基取代的偶氮类化合物。研究结果表明，利用简单易得的无机碱碳酸铯即可促进整个反应的进行，无论一级烷基碘化物、二级烷基卤化物甚至是三级烷基碘化物都适用于该体系，产率为中等到优秀；该无过渡金属参与的胺化反应具有优秀的官能团兼容性，不仅适用于安装有硝基、醛基、酮羰基、酯基、胺等吸电子性取代基的反应底物；也适用于安装有甲氧基等给电子性取代基的反应底物。研究者通过与南京工业大学郭凯团队合作，利用流体化学（flow chemistry）技术实现了克级规模反应，有效地避免了芳基重氮盐参与反应中产生的热效应，也实现了褪黑素的高效合成，体现了该方法的合成应用潜力；最后，利用自由基钟摆、紫外光谱、电子顺磁共振波谱（杭州师范大学蒋敏讲师完成）、密度泛函数计算（汕头大学倪绍飞博士完成）等手段对反应机理进行了详细的研究并提出可能的反应机制。