English

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  1    引言

  随着科技的进步和社会的发展, 人类在获取更多自然资源的同时, 越来越注重将人类行为对环境的影响降至最小.在此背景下, 以“原子经济性”为原则的绿色化学受到众多有机化学家的关注. “原子经济性”反应要求在化学反应中原料的原子以最大比例进入到产品之中, 从而避免了对不可再生资源的浪费, 并从根本上限制了废弃物的排放.脱氢反应是典型的“原子经济性”反应^[1].许多具有重要生理活性的杂环化合物都可以由其二氢化合物脱氢得到.例如汉斯酯及其衍生物脱氢芳构化的产物--吡啶衍生物在除螨、杀菌、除草^[2]等方面有重要作用.再如, 嘧啶类衍生物存在于一些生物活性的天然产物, 它具有抗过敏^[3]、抗癌^[4]、消炎^[5]、杀虫^[6]等作用.由于二氢嘧啶可以经Biginelli反应^[7]得到, 通过二氢嘧啶类衍生物氧化生成嘧啶的报道很多.此外, 还有其他一些可由其二氢化合物脱氢得到的重要芳杂环化合物.比如, 3, 4-二取代的噻吩不仅是合成天然产物的重要单元^[8]而且是一些具有生物活性化合物和材料化学的关键组成部分^[9].吡咯是属于卟啉类化合物、胆色素、辅酶、生物碱等^[10]的基本结构单元.它的应用也在制药及导电聚合物^[11]方面有所体现.

  由相应的二氢化合物得到芳杂环化合物, 通常需要较高的温度或较强的氧化剂, 在脱氢反应完成的同时, 经常伴随着大量副产物的产生.例如汉斯酯的氧化, 使用了诸如高锰酸钾、硝酸、硝酸铈铵、三氧化铬、PCC等较强及过量的氧化剂^[12], 造成了不同程度的浪费及环境污染, 不符合现在绿色化学的理念.相较于氧化剂参与的脱氢反应, 放氢反应不但避免了因氧化剂介入而产生的副反应, 而且将脱去的“氢”转化为氢气(H₂)^[13]--一种具有很高的燃烧焓的可持续的清洁能源.早在2004年, 吴骊珠、佟振合等^[14]发现可见光照射下, 平面四边形三联吡啶铂(Ⅱ)配合物可以催化汉斯酯及其衍生物脱氢芳构化, 副产物为氢气.随后, 他们以该铂配合物为光催化剂, 实现了2, 5-二氢吡咯、2, 5-二氢噻吩等化合物的芳构化产氢, 为这些化合物的高效、绿色合成提供了新途径.

  考虑到贵金属配合物价格昂贵及可能对环境产生较大污染, 选择高效、环保、廉价的催化体系来实现放氢芳构化反应更加具有应用价值.我们设想以常见的有机染料曙红eosin-Y为光催化剂, 以简单的镍(Ⅱ)配合物^[15]为产氢催化剂, 在可见光照射下, 实现多种二氢杂环化合物的放氢芳构化反应.同时, 我们以可见光催化下的需氧脱氢芳构化^[16]作为对照, 探讨了这两类反应体系对不同类型的底物的优劣, 为发展高效、廉价、绿色的可见光催化脱氢反应提供依据.

  2    结果与讨论

  2.1    条件的选择

  汉斯酯(1a)为模型底物, 1a (0.1 mmol), eosin-Y (3 mol%), 镍催化剂(8 mol%)用甲醇做溶剂, 绝氧条件下450 nm的蓝色3W LED灯照射下反应24 h, 得到产物2a (41%)和氢气(H₂).首先, 我们对溶剂进行选择(Entries 1~6), 从中可以看出在溶剂EtOH/H₂O (V/V=1:1, 4 mL)时得到较为理想的结果2a (Entry 6: 96%).其次, EtOH/H₂O (V/V=1:1, 4 mL)作溶剂, 对加入的碱(1.2 equiv.)进行筛选(Entries 7~10), 发现在加入NaOAc (1.2 equiv.)后得到理想结果2a(Entry 10: 99%), 然后, 对NaOAc的量进行选择, 当NaOAc (2.0 equiv.)时, 产率略有降低.最后, 控制实验(Entries 12~14)表明, 只有在存在eosin-Y, 镍配合物还有光照的前提下才能使反应高效进行.

  表1 反应条件的优化^a Table1. Optimization of the reaction conditions^a

  表选项

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  Entry	Solvent	Base	Conv./%	Yield/%
  1	MeOH	-	41	100
  2	THF	-	9	100
  3	DMF	-	8	100
  4	CH3CN	-	22	100
  5	CH3CN/H2O	-	20	100
  6	EtOH/H2O	-	96	100
  7	EtOH/H2O	K2CO3	30	100
  8	EtOH/H2O	Na2CO3	48	100
  9	EtOH/H2O	Cs2CO3	26	100
  10	EtOH/H2O	NaOAc	100	99
  11b	EtOH/H2O	NaOAc	100	98
  12c	EtOH/H2O	NaOAc	14	100
  13d	EtOH/H2O	NaOAc		0
  14e	EtOH/H2O	NaOAc		0
  aReation conditions: Hantzsch ester (1a) (0.1 mmol), EY (2 mg, 3 mol%), Ni Complex (2.9 mg, 8 mol%), base (1.2 equiv.) were added in solvent (V/V=1:1, 4 mL) under an argon atmosphere and irradiation of 3W blue LEDs for 24 h at r.t.. b2.0 equiv. of base was used. cNi complex was absent from the reaction system.dEY was absent from the reaction system. eThe reaction was carried out in the dark.

  表1 反应条件的优化^a
  Table1. Optimization of the reaction conditions^a

  2.2    底物的适用范围

  2.1.1    需氧脱氢芳构化作为对照实验

  和已经优化了的条件一致, 但不加入2, 4-二羟基苯甲醛肟和镍(Ⅱ)配合物, 而是在空气中用蓝色3W LED灯照射下, 考察1, 4-二氢吡啶衍生物、1, 4-二氢嘧啶衍生物、3, 4-二氢噻吩衍生物和2, 5-二氢吡咯衍生物在反应24 h后的脱氢芳构化转化率及产率.实验结果如表 3所示, 1, 4-二氢吡啶的衍生物(1a)在这一体系下产率93%(转化率为94%). 2a的产率为91%(转化率为88%). 1, 4-二氢嘧啶衍生物(3a)在这一体系下得到了62%的产率(转化率为50%), 4a在这一体系中的产率为61%(转化率为34%). 2, 5-二氢噻吩衍生物(5a)在体系中产率为99%(转化率为72%), 6a在体系中产率为98%(转化率为58%). 2, 5-二氢吡咯衍生物(7a)在这一体系下得到了(7b)产率100%(转化率为79%).总体上说, 二氢噻吩衍生物和二氢吡咯衍生物在光敏氧化条件下表现出比光催化产氢条件下更好的转化率及产率.

  表3 在氧气条件下芳构化底物的拓展^a Table3. Substrate scope of dehydrogenation aromatization in air

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  Entry	Substrate	Product	Conv./%	Yield/%
  1	1a	1b	94	93
  2	2a	2b	88	91
  3	3a	3b	50	62
  4	4a	4b	34	61
  5b	5a	5b	72	99
  6b	6a	6b	58	98
  7b	7a	7b	79	100
  a Unless otherwise stated, the reaction conditions are: substrates (0.1 mmol), EY (2 mg, 3 mol%), Ni Complex (2.9 mg, 8 mmol%), base (1.2 equiv.) were added in solvent (V/V=1:1, 4 mL) under an argon atmosphere and irradiation of 3W blue LEDs for 24 h at r.t.. bWith addition of 0.5 mL THF, NaOAc (1.2 equiv.) was used instead of NaHCO3.

  表3 在氧气条件下芳构化底物的拓展^a
  Table3. Substrate scope of dehydrogenation aromatization in air

  2.1.1    底物扩展

  在已经优化了的条件下, 使用不同的1, 4-二氢吡啶衍生物、1, 4-二氢嘧啶衍生物、2, 5-二氢噻吩衍生物和2, 5-二氢吡咯进行底物扩展.实验结果如表 2所示, 1, 4-二氢吡啶的衍生物(1a, 2a)在这一体系下转化率和产率近乎完美, 都得到了几乎定量的产物. 1, 4-二氢嘧啶衍生物(3a)在这一体系下也有较好的结果, 得到了91%的产率(转化率为82%), 4a在这一体系中的产率为74%(转化率为15%), 不是很理想. 2, 5-二氢噻吩衍生物(5a, 6a)在体系中的溶解性不理想, 因此加入了0.5 mL的THF以增大溶解性.这类底物产率很高, 但转化率较低.类似地, 2, 5-二氢吡咯衍生物(7a)在较低的转化率下(56%)得到了几乎定量产率的7b(99%).可以看出, 该可见光驱使的产氢体系对不同类型底物的脱氢反应, 均表现出非常好的化学选择性, 但转化率因底物不同而改变.

  表2 芳构化底物的拓展^a Table2. Substrate scope of dehydrogenation aromatization

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  Entry	Substrate	Product	Conv./%	Yield/%
  1			100	99
  2			100	99
  3			82	91
  4			15	74
  5b			45	96
  6b			42	93
  7b			56	99
  a Unless otherwise stated, the reaction conditions are: substrates (0.1 mmol), EY (2 mg, 3 mol%), Ni Complex (2.9 mg, 8 mmol%), base (1.2 equiv.) were added in solvent (V/V=1:1, 4 mL) under an argon atmosphere and irradiation of 3W blue LEDs for 24 h at r.t.. bWith addition of 0.5 mL THF, NaOAc (1.2 equiv.) was used instead of NaHCO3.

  表2 芳构化底物的拓展^a
  Table2. Substrate scope of dehydrogenation aromatization

  3    结论

  我们提出了一个在室温条件下通过可见光照射高效催化二氢杂环化合物芳构化的方法:结合廉价的有机染料Eosin-Y与简单金属镍(Ⅱ)配合物, 用乙醇和水作溶剂, 在蓝色3 W LED灯照射下, 实现了分子内的放氢芳构化反应.该体系下大多数底物芳构化产率几乎为定量, 显示了光催化放氢反应由于有效避免了外加氧化剂引起的不必要的副反应, 产生了很高的化学选择性.到目前为止, 这也是首次使用有机染料与镍配合物相结合使二氢杂环化合物脱氢芳构化的报道.此外, 我们在其他条件相同的情况下, 将绝氧条件的放氢反应跟在有氧条件下的反应做了对比, 结果表明汉斯酯衍生物及1, 4-二氢嘧啶衍生物在绝氧放氢反应条件下得到较高产率.而在氧气条件下2, 5-二氢噻吩衍生物、2, 5-二氢吡咯衍生物芳构化的转化率更高.

• 1. [1]

     (a) Li, Y. M.; Jia, F.; Ma, L. N.; Li, Z. P. Acta Chim.Sinica2015, 73, 1311 (in Chinese). (李远明, 贾凡, 马丽娜, 李志平, 化学学报, 2015, 73, 1311.) (b) Xu, W. S.; Zhao, S. J.; Bi, X. H.; Liao, P. Q. Chin. J. Org. Chem. 2015, 35, 2095 (in Chinese). (徐文帅, 赵寿经, 毕锡和, 廖沛球, 有机化学, 2015, 35, 2095.) (c) Kone, J. R.; Marinescu, S. C.; Brunschwig, B. S.; Winkler, J. R.; Gray, H. B. Chem.Sci. 2014, 5, 865. (d) Li, Q. H.; Huang, R.; Wang, C. J. Acta Chim.Sinica 2014, 72, 830 (in Chinese). (李清华, 黄蓉, 王春江, 化学学报, 2014, 72, 830.) (e) Dobereiner, G. E.; Crabtree, R. H. Chem.Rev. 2010, 110, 681.

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• 表 1  反应条件的优化^a

  Table 1.  Optimization of the reaction conditions^a

  Entry	Solvent	Base	Conv./%	Yield/%
  1	MeOH	-	41	100
  2	THF	-	9	100
  3	DMF	-	8	100
  4	CH3CN	-	22	100
  5	CH3CN/H2O	-	20	100
  6	EtOH/H2O	-	96	100
  7	EtOH/H2O	K2CO3	30	100
  8	EtOH/H2O	Na2CO3	48	100
  9	EtOH/H2O	Cs2CO3	26	100
  10	EtOH/H2O	NaOAc	100	99
  11b	EtOH/H2O	NaOAc	100	98
  12c	EtOH/H2O	NaOAc	14	100
  13d	EtOH/H2O	NaOAc		0
  14e	EtOH/H2O	NaOAc		0
  aReation conditions: Hantzsch ester (1a) (0.1 mmol), EY (2 mg, 3 mol%), Ni Complex (2.9 mg, 8 mol%), base (1.2 equiv.) were added in solvent (V/V=1:1, 4 mL) under an argon atmosphere and irradiation of 3W blue LEDs for 24 h at r.t.. b2.0 equiv. of base was used. cNi complex was absent from the reaction system.dEY was absent from the reaction system. eThe reaction was carried out in the dark.

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  表 2  芳构化底物的拓展^a

  Table 2.  Substrate scope of dehydrogenation aromatization

  Entry	Substrate	Product	Conv./%	Yield/%
  1			100	99
  2			100	99
  3			82	91
  4			15	74
  5b			45	96
  6b			42	93
  7b			56	99
  a Unless otherwise stated, the reaction conditions are: substrates (0.1 mmol), EY (2 mg, 3 mol%), Ni Complex (2.9 mg, 8 mmol%), base (1.2 equiv.) were added in solvent (V/V=1:1, 4 mL) under an argon atmosphere and irradiation of 3W blue LEDs for 24 h at r.t.. bWith addition of 0.5 mL THF, NaOAc (1.2 equiv.) was used instead of NaHCO3.

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  表 3  在氧气条件下芳构化底物的拓展^a

  Table 3.  Substrate scope of dehydrogenation aromatization in air

  Entry	Substrate	Product	Conv./%	Yield/%
  1	1a	1b	94	93
  2	2a	2b	88	91
  3	3a	3b	50	62
  4	4a	4b	34	61
  5b	5a	5b	72	99
  6b	6a	6b	58	98
  7b	7a	7b	79	100
  a Unless otherwise stated, the reaction conditions are: substrates (0.1 mmol), EY (2 mg, 3 mol%), Ni Complex (2.9 mg, 8 mmol%), base (1.2 equiv.) were added in solvent (V/V=1:1, 4 mL) under an argon atmosphere and irradiation of 3W blue LEDs for 24 h at r.t.. bWith addition of 0.5 mL THF, NaOAc (1.2 equiv.) was used instead of NaHCO3.

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