▲第一作者： 呂士德，韓孝新;通訊作者：陳建賓教授
通訊單位：齊魯工業(yè)大學(xué)
論文DOI：10.1002/anie.202001510
本文中，報(bào)道了一種環(huán)境友好的電化學(xué)方法，其利用“推拉效應(yīng)”和“離域作用”產(chǎn)生氮中心自由基（NCR）。通過改變電極材料的反應(yīng)參數(shù)和原料溶解度，脫芳香化使得選擇性脫氫C-N與N-N鍵形成反應(yīng)成為可能。另外，我們還著重的挑選出一批化合物去研究它的生物活性和光化學(xué)性質(zhì)。
含氮化合物作為與生物相關(guān)的化合物、藥物、和天然產(chǎn)物中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成而備受關(guān)注。為了合成出此類化合物，許多課題組已經(jīng)付出了巨大的努力，特別是通過過渡金屬催化的交叉偶聯(lián)或脫氫胺化方式。2010年，Zhu 課題組報(bào)道了銅（II）助催化的直接分子內(nèi)C-H胺化的反應(yīng)。該反應(yīng)在氧氣的氣氛下，130攝氏度下進(jìn)行，反應(yīng)使用醋酸銅作為催化劑，九水合硝酸鐵作為氧化劑，N,N-二甲基甲酰胺作為反應(yīng)溶劑實(shí)現(xiàn)了分子內(nèi)的胺化反應(yīng)（J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13217-13219.）；2018年，Stahl 和他的同事開發(fā)了一種咔唑和二芳基胺的有氧氧化二聚反應(yīng)，反應(yīng)是在以CuBr? Me2S和4-二甲基氨基吡啶作為催化劑，二氯乙烷作為反應(yīng)溶劑，氧氣的條件下進(jìn)行的，反應(yīng)17個(gè)小時(shí)后得的偶聯(lián)產(chǎn)物（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 9074-9077.）。在過去的十年中，電化學(xué)有機(jī)合成已被公認(rèn)為是可以滿足社會(huì)發(fā)展與環(huán)境兼容的過程所需的幾個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)的方法之一。它可以用來代替有毒或危險(xiǎn)的氧化或還原試劑，減少能耗。用電子替代了化學(xué)計(jì)量的氧化還原試劑，這種綠色方法有助于最大程度地提高原子效率，并減少廢物流中的有毒試劑（例如重金屬）。這些只是使電化學(xué)對環(huán)境有用的一些最重要的屬性。在有機(jī)合成中，盡管尚未充分利用電子轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)的潛力，但已廣泛用于各種轉(zhuǎn)化。在電子轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)反應(yīng)的幾種方法中，電化學(xué)方法是一種簡單而有效的方法。吡啶并[1,2-a]苯并咪唑是一類重要的雜環(huán)化合物，它們具有多種生物活性，例如抗瘧疾，抗真菌，抗腫瘤和抗病毒，以及在熒光和染料中的應(yīng)用。 因此，人們對它們的構(gòu)造給予了極大的關(guān)注。此外，四芳基肼是天然產(chǎn)物雙氧霉素A和B中的獨(dú)特結(jié)構(gòu)骨架（Eur. J. Org. Chem. 2012, 2012, 5256-5262），還可用作電催化劑（Angew. Chem.Int. Ed. 2018, 57, 1636-1639）。仲胺與氧化劑的常規(guī)過渡金屬催化氧化偶聯(lián)是制備它們的主要步驟。鑒于這類結(jié)構(gòu)的用處以及我們對有機(jī)電化學(xué)的興趣，我們設(shè)想通過控制電化學(xué)中的關(guān)鍵因素之一，即電流密度，以可調(diào)的方式提供獨(dú)特的目標(biāo)化合物，我們的設(shè)想基于以下原理：電流密度與電極表面的反應(yīng)速率成正比，因此與反應(yīng)性中間物質(zhì)的濃度相關(guān)，這也是本文的核心之處。在合成吡啶并[1,2-a]苯并咪唑類化合物時(shí)，我們盡量將反應(yīng)過程中的電流密度降低，以獲得低濃度的氮中心自由基，來盡可能使每一個(gè)氮中心自由基都能被自身化合物分子捕獲進(jìn)而實(shí)現(xiàn)C-N鍵的生成。至于低的電流密度我們是通過使用具有較大比表面積的石墨棒來實(shí)現(xiàn)的；與之相比的是我們在合成四芳基肼類化合物時(shí)，為了使反應(yīng)過程中氮自由基的濃度足夠高，我們將電流密度擴(kuò)大了上萬倍，在鉑電極作分別作為電解過程中的陰極與陽極的條件下，我們以5毫安的恒定電流實(shí)現(xiàn)了該類化合物的合成。
在上述的條件下我們分別成功的合成了30個(gè)以上的C-N偶聯(lián)化合物和N-N偶聯(lián)化合物：為了深入的了解反應(yīng)機(jī)理，我們進(jìn)行了許多對照實(shí)驗(yàn)（Figure 1）和循環(huán)伏安分析（CV，F(xiàn)igure 2）。甲基取代的胺的電解幾乎沒有產(chǎn)物（Eq.1）。 該觀察結(jié)果突出了游離N-H部分的重要性。重要的是，通過核磁共振（NMR，F(xiàn)igure S6）和CV結(jié)果（綠線與粉紅線，F(xiàn)igure 2a）驗(yàn)證了強(qiáng)堿（即氫氧化物）對底物N-H的去質(zhì)子化作用。顯然，氮陰離子的氧化峰電位（綠線，Ep = 0.44 V vs SCE）明顯低于相應(yīng)起始原料的氧化峰電位（粉紅線，Ep = 1.22 V vs SCE，F(xiàn)igure 2a）。在標(biāo)準(zhǔn)條件A或B中添加自由基清除劑，例如2,2,6,6-叔甲基-1-哌啶基氧基（TEMPO）或丁基化羥基甲苯（BHT），均會(huì)導(dǎo)致明顯的抑制作用（Eq. 2 and 4）。顯著地，當(dāng)存在相等摩爾的物質(zhì)時(shí)，交叉偶聯(lián)產(chǎn)物與其他兩個(gè)均相偶聯(lián)產(chǎn)物以大約1∶1∶1的比率生成。一般而言，人們認(rèn)為自由基反應(yīng)是非選擇性的并且不能被控制。因此，非常需要自由基的選擇性交叉偶聯(lián)。非常有趣的是，在標(biāo)準(zhǔn)條件B下，只需添加5當(dāng)量的一種物質(zhì)（Eq. 5），即可顯著改善交叉偶聯(lián)化合物。綜上所述，這些數(shù)據(jù)充分證實(shí)了以氮為中心的自由基中間體參與了該過程。值得注意的是，在條件A下測量了逆動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)（KIE = 0.89）（Eq. 3）。數(shù)據(jù)與碳中心從sp2到sp3的構(gòu)型變化一致，證明胺化步驟中不涉及C-H鍵裂解。然后，我們通過CV研究了化合物1、2和3的電化學(xué)行為。有趣的是，觀察到化合物3的可逆循環(huán)伏安圖，而化合物1檢測到完全不可逆的結(jié)果。然而，在潛在的潛在窗口中幾乎沒有觀察到化合物2的氧化峰（Figure 2b）。▲Figure 1. Control experiments.
▲Figure S6. 1H NMR spectra of N-phenylpyridin-2-amine with/without TBAOH (1 equiv.)
▲Figure 2. CV analysis. Substrate (0.01 mol/L), LiClO4 (0.1 mol/L), GC as the working electrode, Pt wire as counter electrode, SCE as reference electrode, scan rate: 100 mV/s. a) in MeCN/MeOH (14:1); b) in MeCN.
在初步機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，提出了如Scheme 3中所列的假定反應(yīng)途徑，文章中有詳細(xì)介紹，這里不做贅述。▲Scheme 3 Putative mechanism.
光化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)應(yīng)用：首先，測試了對人類癌細(xì)胞的抗菌活性和細(xì)胞毒性。 幾種化合物顯示出高活性。 例如，化合物15、34和12可分別抑制金黃色葡萄球菌，釀酒酵母和宮頸腺癌HeLa細(xì)胞的生長55％，49％和44％。 同時(shí)，化合物8和29可以抑制肝癌細(xì)胞HepG2超過42％。 此外，化合物8還可以將黑素瘤細(xì)胞系A(chǔ)375抑制53％。
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| Staphylococcus aureus ATCC-6538 |
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| hepatocarcinoma cell line HepG2 |
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| cervix adenocarcinoma HeLa cells |
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其次，化合物21在不同濃度下均具有較大的斯托克斯位移（約130 nm），具有很強(qiáng)的熒光增強(qiáng)作用，可潛在地應(yīng)用于亞細(xì)胞成像（Figure 3）。 嗎啉被視為溶酶體的靶向基團(tuán)，因此增加了化合物21在溶酶體中的分布。 為了研究亞細(xì)胞定位能力，將具有商業(yè)溶酶體示蹤劑LysoTracker red的化合物21應(yīng)用于HeLa細(xì)胞。 如Figure 4所示，來自綠色通道的熒光信號與LysoTracker Red的熒光信號疊加得很好。 此外，綠色通道和紅色通道的熒光強(qiáng)度與高重疊Pearson系數(shù)為0.80和Mander重疊系數(shù)為0.81高度相關(guān)。 因此，化合物21位于活細(xì)胞中的溶酶體中。▲Figure 3. UV-vis. absorption specta and fluorescence emission spectra of compound 21 in DMF.
▲Figure 4. Brightfield and fluorescence images of HeLa cells stained with compound 21 (10 μM) and LysoTracker Red. a) brightfield image, b) with 21, c) from the red channel (lysosomes staining), d) overlay of brighfield, green and red channels, e) intensity profile of linear region of interest across in the HeLa cell costained with LysoTracker Red and 21.
總而言之，基于“推拉效應(yīng)”和“離域作用”，從易得的原料中闡述了一種電化學(xué)可調(diào)控的方法，提供了容易獲得的分子間N-N偶聯(lián)和分子內(nèi)C-N偶聯(lián)的方法。通過改變包括陽極材料和溶劑種類等反應(yīng)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)氮自由基濃度的調(diào)控。通常，高濃度的氮自由基有利于自由基N-N偶聯(lián)途徑，而低濃度的氮自由基將被進(jìn)一步氧化為正式的脫芳香化2e氧化產(chǎn)物。該方法的可擴(kuò)展性，無過渡金屬和無外源氧化還原劑的特性突出了新開發(fā)的有機(jī)電解的綠色性和可持續(xù)性。生物學(xué)評估證明了我們產(chǎn)品的潛在應(yīng)用，包括抗菌和抗腫瘤活性。光化學(xué)性質(zhì)表明，化合物21適用于具有較大斯托克斯位移（約130 nm）的細(xì)胞標(biāo)記；此外，在活細(xì)胞中很好地實(shí)現(xiàn)了溶酶體熒光成像。基于這些優(yōu)點(diǎn)，新開發(fā)的方法代表了多樣化合成的理想策略，并且可能在化學(xué)，生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)中得到利用。團(tuán)隊(duì)名稱：光/電催化研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)；團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人：陳建賓教授，2015年11月以“優(yōu)等生”提前1年獲得德國萊布尼茨催化研究所駐羅斯托克大學(xué)（LIKAT）博士學(xué)位，2016年3月赴美國加州大學(xué)伯克利分校開展博士后研究，2017年4月加入齊魯工業(yè)大學(xué)開展獨(dú)立科研工作。入職三年來，主持國家自然科學(xué)基金、省自然科學(xué)基金和廳局級項(xiàng)目5項(xiàng)；以唯一通訊發(fā)表SCI一區(qū)文章7篇。目前主要從事光/電催化，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，金屬有機(jī)化學(xué)，藥物合成和功能材料等方面的研究工作。
周建華教授：1999年獲山東大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為齊魯工業(yè)大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院教授。主要研究領(lǐng)域?yàn)榉肿臃磻?yīng)動(dòng)力學(xué)的理論計(jì)算研究。張國鋒博士：2018年獲南開大學(xué)博士學(xué)位，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o機(jī)功能材料的晶體生長與納米材料的新合成方法、納米材料自組裝及納米結(jié)構(gòu)的新構(gòu)筑途徑、無機(jī)功能材料在光電磁及能源方面的應(yīng)用。
馬麗博士：2019獲北京理工大學(xué)博士學(xué)位，目前主要從事有機(jī)多孔材料，光、電催化有機(jī)反應(yīng)以及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等方面的研究。
李寶迎博士：2019年獲中國地質(zhì)大學(xué)博士學(xué)位，目前主要從事光催化降解反應(yīng)，電催化氧還原反應(yīng)，光電催化分解水產(chǎn)氫和產(chǎn)氧等方面的研究。
牛立偉博士：2019年獲中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所）博士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)椋?br/>1. 碳基能源轉(zhuǎn)化：包括CO、CO2、CH4的催化轉(zhuǎn)化，生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化；2. 光電催化制氫和催化有機(jī)化學(xué)反應(yīng)；3. 納米材料、碳基功能材料和單原子等材料設(shè)計(jì)：從納米顆粒、原子簇到單原子尺度理解催化反應(yīng)機(jī)理，并進(jìn)行催化劑的理性設(shè)計(jì)；4. 原位動(dòng)態(tài)譜學(xué)表征技術(shù)，利用第一性原理研究催化反應(yīng)機(jī)理。劉思遠(yuǎn)博士：2019年獲大連理工大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)研究方向?yàn)椋弘姶呋袡C(jī)反應(yīng)、有機(jī)合成方法學(xué)、化學(xué)生物學(xué)。
