光电催化双铁协同LMCT策略实现烯烃1,2-双叠氮化

《Advanced Science》：Photoelectrocatalytic Diazidation of Olefins via Synergistic Dual Iron Species

　　

1,2-二胺（1,2-diamine）基序广泛存在于生物活性分子、天然产物和合成化学中。本研究报道了一种简单且通用的烯烃1,2-双叠氮化方法，该方法通过光电化学双铁催化配体-金属电荷转移（LMCT）策略，以TMSN₃为叠氮源，在温和反应条件下进行。双铁物种可调控叠氮自由基的生成速率，提高催化效率，控制反应选择性，并避免底物和产物过度氧化。该方法可兼容多种未活化、活化、缺电子及内烯烃，以及复杂的类药物和天然产物衍生骨架。通过克级反应及衍生化为其他邻二胺化合物家族，进一步证明了其合成实用性。该方案避免了危险或活化叠氮前体、等当量化学氧化剂或金属以及其他不友好反应条件的使用。机理实验表明，铁、配体、电流、阴极半反应和光在调控叠氮自由基生成中发挥重要作用。

论文主体内容解读

研究背景与问题
1,2-二胺（1,2-diamine）基序广泛存在于天然产物、药物分子和分子催化剂中，因此发展高效构建1,2-二胺的方法具有重要价值。烯烃1,2-双叠氮化可在烯烃两端直接引入两个氨基，是合成邻二胺的高效策略之一。近十年，钯、铁、锰、铜催化自由基叠氮化等路径取得进展，但常受昂贵金属催化剂、化学计量氧化剂（如碘(III)试剂、有机过氧化物）以及对未活化烯烃兼容性有限等问题制约。亲电叠氮自由基通常更易与富电子烯烃反应，未活化烯烃叠氮化速率较慢，催化条件下易发生氧化剂和叠氮源的竞争分解，降低目标双叠氮化效率。有机电化学利用电能驱动氧化还原转化，可控制叠氮阴离子氧化生成叠氮自由基；已有MnBr₂电催化、氨基氧基有机催化和铜基电催化体系，但仍存在氨基氧基催化剂不易获得、使用爆炸性叠氮源、对反应温度敏感等挑战。因此，温和高效地实现烯烃双叠氮化仍具挑战。光诱导高价金属配合物的配体-金属电荷转移（LMCT）可触发金属-配体键均裂，生成氧化性开壳配体中心自由基和还原金属中心；近期光电化学LMCT策略已用于精准分子合成。受此启发，研究人员设想通过光、电、铁盐和配体等调控叠氮自由基生成速率，实现烯烃双叠氮化。该研究以双铁物种和TMSN₃（叠氮源）在温和光电化学条件下实现未活化烯烃双叠氮化，合成广谱1,2-二胺，并可兼容不同电子性质和取代模式的烯烃。论文发表在《Advanced Science》，其意义在于避免危险或活化叠氮前体、当量化学氧化剂或金属以及不友好条件，并利用双铁调控自由基生成、提高效率、控制选择性、避免底物和产物过度氧化。

关键技术方法
本研究不涉及样本队列来源。研究人员以模型烯烃开展条件筛选，建立未分隔电解池、恒电位2.0 V、30 W 390 nm紫光LED照射、双铁催化与TMSN₃叠氮源联用的标准体系；开展底物范围考察、克级放大和产物衍生化；机理上采用TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）自由基捕获、高分辨质谱（HRMS）、环伏安（CV）和二烯自由基环化探针，以判断自由基过程、铁价态及LMCT路径。

研究结果
条件优化：以but-3-en-1-yl benzoate为模型底物筛选条件，确定Fe(NO₃)₃•9H₂O 15 mol%、Fe(OAc)₂ 5 mol%、4,4′-二甲氧基-2,2′-联吡啶为配体、HFIP、MeCN、25°C、2.0 V、390 nm光照16 h的标准条件，目标1,2-双叠氮化产物分离产率87%。FeCl₃或Fe(acac)₂替代铁盐、DMSO/DMF替代溶剂、更换配体、石墨阳极或铁阴极、去除铁盐/配体/HFIP/光/电等均降低产率或无产物，表明铁、配体、光、电及阳极材料等对反应关键。
底物范围：在标准条件下，未活化烯烃（含4–6碳线性烷基链）可顺利转化，芳环给电子基、卤素、吸电子基、无取代苯环及萘环均兼容；杂环烯烃、α-支链烯烃、含邻苯二甲酰亚胺/对甲苯磺酰基/酰胺/苯硫基的烯烃以及含伯溴、伯醇、丙二酸二乙酯等基团的底物也可反应；多取代烯烃、内烯烃、活化和缺电子烯烃均获相应产物。由非甾体抗炎药（NSAIDs）如fenbufen、flurbiprofen、ketoprofen及乙酰水杨酸等活性药物成分（APIs）衍生烯烃可后期修饰。结论是该策略底物范围宽、官能团耐受性好。
合成应用与衍生化：6.0 mmol烯烃克级放大得到双叠氮产物22，分离产率81%；叠氮还原得到邻二胺56，铜催化点击反应得到三唑57。结论是该法可放大且产物可进一步衍生化。
机理研究：TEMPO完全抑制反应，HRMS表征捕获加合物58；二烯与TMSN₃反应得到自由基介导环化产物59（74%，中等dr）；CV表明Fe(NO₃)₃·9H₂O与配体配位使氧化电位由0.85 V降至0.70 V，增加TMSN₃浓度显示MeCN中Fe^III/Fe^II氧化还原对位于+0.6 V，提示Fe^III介导LMCT。据此提出：光照下阳极生成的LFe^IIIN₃经LMCT释放N₃^•并再生[LFe^II]；N₃^•被烯烃捕获形成烯基碳自由基，再与另一分子LFe^IIIN₃发生配体转移生成双叠氮产物并再生[LFe^II]；[LFe^II]在阳极氧化为[LFe^III]；HFIP因酸性加速H₂析出，降低阴极不利还原。结论是铁物种发挥双重作用，铁、配体、电流、阴极半反应和光共同调控叠氮自由基生成。

讨论与结论
该研究将双铁协同催化与光电化学LMCT结合，以TMSN₃为叠氮源，在温和条件下实现烯烃1,2-双叠氮化，避免了危险或活化叠氮前体、化学计量化学氧化剂以及昂贵敏感催化体系的使用，并表现出广泛底物范围和良好官能团兼容性。对照实验和CV实验表明铁物种在该转化中具有双重作用；铁、配体、电流、阴极半反应和光在调控叠氮自由基生成中起重要作用。研究结论翻译如下：总之，研究人员开发了一种模块化且高效的光电化学方法，通过双铁协同催化诱导的LMCT过程，在温和条件下使用TMSN₃实现多种烯烃的1,2-双叠氮化。本方法底物范围广、官能团兼容性好。此外，本方法克服了先前方法的局限，包括使用危险或活化叠氮及化学氧化剂、需要昂贵且敏感的催化体系。对照实验和CV实验表明铁物种在该转化中发挥双重作用。进一步地，铁、配体、电流、阴极半反应和光在调控叠氮自由基生成中发挥重要作用。