蘭州化物所锆氫催化的酰胺硼氫化合成胺類化合物取得新進展

  發展溫和條件下胺類化合物的高效合成方法是催化與合成領域長期研究的課題。酰胺廣泛存在于自然界且通過化學合成方法可輕易制得,酰胺還原是制備胺類化合物最直接的方法之一。然而,酰胺還原到胺需要選擇性斷裂C=O鍵,因此該反應具有一定的挑戰。

  近日,365bet代理吴立朋研究員团队通过使用前过渡金属锆氢催化剂实现了室温条件下各级酰胺选择性硼氢化制备胺类化合物。

  研究人員使用了一種簡單的Zr-H催化劑,在室溫條件下實現了酰胺選擇性硼氫化反應制備胺類化合物,包括具有挑戰性的一級酰胺的還原。該催化體系對其他可還原的官能團具有高度耐受性,例如腈基、硝基以及更活潑的羧酸酯、烯烴和炔烴;也適用于各種生物和藥物衍生胺的合成。對照實驗和交叉偶聯反應、NMR、原位紅外以及密度泛函理論(DFT)理論計算,揭示了酰胺碳氮鍵斷裂-重組的反應途徑。

圖1 (a)标准反应的原位红外谱圖;(b,c,d,e)控制实验

  爲深入了解反應機理,研究人員使用原位紅外檢測技術監測了Zr-H催化的N,N-二甲基苯甲酰胺和HBpin的反應。從紅外譜圖中發現,酰胺的碳氧雙鍵和HBpin的硼氫鍵由于伸縮震動分別在1643cm-1和1342cm-1,具有特征峰。在整個反應過程中,酰胺底物和HBpin減少,並出現産物N,N-二甲基苄胺的特征峰(圖1.a)。由于在整個過程中沒有發現任何可能是中間體的特征峰,研究人員隨後進行了原位核磁研究以了解反應過程。當化學計量的N,N-二甲基苯甲酰胺和Zr-H催化劑反應後會生成苯甲醛,其化學信號值在10.03ppm,同時在1H NMR谱上可能有Me2N-X(X = H或ZrLn)类化合物(圖1.b)。加入催化量的Zr-H催化剂可以观察到少量苯甲醛的特征峰(圖1.c)。为了确定在催化反应过程中是否原位产生醛,研究人员用催化量的Zr-H与N,N-二甲基苯甲酰胺和HBpin的标准催化反应1小时,然后将4-苯基苯甲醛加入到反应液中,在核磁中观察到N,N-二甲基-4-苯基苄胺的形成(圖1.d)。以相同的方法,将二乙胺加入标准催化反应1小时后的反应液中观察到二乙基苄胺的形成(圖1.e)。

2 可能的酰胺還原的機理

  结合上述控制实验以及相关DFT计算结果,研究人员提出了酰胺脱氧硼氢化还原的可能机理(圖2)。将酰胺的C=O键插入Zr-H中产生化合物A,A经过β-N消除形成中间体B,同时释放醛(C-N键断裂);中间体B与HBpin反应生成中间体C;中间体C再生催化剂并形成中间体D,D与醛相互作用产生中间体E(C-N键重组); E与HBpin反应(C-O键断裂)后释放最终产物胺。

  相關研究成果發表在《催化學報》(Chinese Journal of Catalysis,2021,42,2059-2067)上。韩波博士生为该論文第一作者,张炯博士生、德国莱布尼茨催化研究所焦海军教授和兰州化物所吴立朋研究員为共同作者。

  该工作得到了国家自然科学基金(91845108, 21901247, 21902167)项目的支持。

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