通訊單位：Cornell University

DOI: 10.1126/science.abf2798

背景介紹

未活化的C-H鍵向C-N鍵的轉化是一種很有價值的轉化。現有的策略通常只在一個C-H位點上完成這類反應，因為第一次衍生降低了周圍C-H鍵的反應活性。

本文亮點

● 本文以乙腈為溶劑和氮源，烷基芳烴可以透過電光催化的方法進行鄰近C-H二胺化反應，形成1,2-二胺衍生物。

● 該反應由三氨基環丙烯（TAC）離子催化，該離子經過陽極氧化以提供穩定的自由基，而陰極反應將質子還原為分子氫。

● 用白光緊湊型熒光燈照射TAC自由基（最大吸收波長450至550奈米）產生強氧化性光激發中間體。根據所使用的電解液，可以得到3，4-二氫咪唑或氮雜環丙烷產品。

圖文解析

化學反應中產生多種C-H鍵活化對化學合成領域具有重要的應用價值。然而，其主要挑戰是雜原子的引入會使周圍的C-H鍵失活，因此，很少有報道的反應技術能夠在碳氫鍵的近端實現這種多功能化。作者前期報道了一種有效的氧化化學策略，它將光和電的能量結合在一個催化劑中，這個過程稱為電光催化（EPC）。該策略涉及在相對溫和的電化學電位下對三氨基環丙烯（TAC）離子1進行電化學氧化，並伴隨可見光照射以激發產生的自由基指示中間體2（圖1A）。Ritter-type反應生成碳正離子5，隨後被丁腈(通常作為溶劑)捕獲，從而形成氮離子中間體，水解後形成醯胺產物6(圖1B)。本文報道了一種鄰近C-H鍵的電光催化二胺化反應，根據使用的電解質，可以提供二氫咪唑8或氮雜啶9(圖1C)。

▲圖1 C-H鍵的電光催化胺化。

在對反應條件（包括電池電位、電解質、酸新增劑和反應時間）進行廣泛篩選後，作者確定了能夠使各種苄基碳氫化合物有效轉化為相應的N-醯基-4,5-二氫咪唑加合物的反應條件（圖2）。反應裝置包括用白色緊湊型熒光燈（CFL）照射底物溶液8 mol%TAC1，以及四氟硼酸四乙基銨（Et4NBF4）在乙腈：三氟乙酸（5:1）溶液中，在受控電位下的分開的電解槽中。TAC催化劑和基質被置於陽極室中，這是發生C-H二胺化化學的地方。電化學反應透過陰極還原H+生成H2來平衡，提供了一種有效的無痕氧化還原副產物。在這些條件下，許多苄基烴被發現進行鄰位C-二氨基化。在沒有催化劑1或沒有輻照的情況下，檢測到的此類產品不超過痕量。

在此過程中，異丙苯(異丙烯)轉化為10，收率72%(圖2)。隨後作者探究了苄基和非苄基碳胺化的位點選擇性、該反應使環體系功能化的能力、無支鏈苄基底物的二胺化過程，均得到了優良的收率。

▲圖2 電光催化鄰近C-H二胺化的底物範圍。

在研究過程中，作者發現將電解質從Et4NBF4改為LiClO4會產生另一種鄰近的C-H雙官能化產物：乙醯基氮雜環丙烷，且均有較為優異的產率。

▲圖3 電光催化鄰位C–H氮雜環丙烷化。

由於後期碳氫官能化過程為藥物化合物庫的多樣化提供了強大的工具，作者隨後在幾個與已知生物活性分子相似的分子上測試這種雙官能化化學：（A）透過電光催化鄰位C-H二胺化或氮雜環丙烷化製備的生物活性化合物類似物；（B）1,2-二胺合成；（C）二氫咪唑的合成。（D）生物活性化合物合成。該方法均能有效實現上述化合物的合成。

▲圖4 電光催化鄰近C-H二胺化的合成應用。

關於反應機理，作者認為反應開始於底物苄基化合物的Ritter型胺化反應，這個過程符合已知的電化學Ritter型反應。

▲圖5 電光催化鄰近C-H二胺化的機理。

展 望

二胺化反應與合理的功能多樣性的相容性使人們對該反應可能具有實用價值持某種程度的樂觀態度。同時，光和電能在單一催化劑的作用下結合的能力也被進一步證明對提高合成能力具有價值。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/371/6529/620