一种基于铁卟啉的光敏剂，用于N-芳基吡唑和杂环化合物的合成

Fe(II)-Porphyrin光催化剂合成及其在C-N偶联中的应用，无需强碱/添加剂，LED光照下30小时获得65%-85%产率，稳定性通过FT-IR、NMR、AAS证实，符合绿色化学原则。

　　

Sakshi Ravindra Giradkar | Pundlik Rambhau Bhagat

印度韦洛尔技术学院（Vellore Institute of Technology）高级科学学院化学系，韦洛尔 632014

摘要

在本研究中，我们在95°C下，通过将含有磺酸基团的卟啉与1,2,3-苯并三唑基团和亚铁硫酸盐结合，合成了Fe(II)-卟啉光催化剂（Fe(II)-Pc）。卟啉是由1-(4-甲酰苯基)-3-磺基-1H-苯并[d][1,2,3]三唑-3-ium氯化物和吡咯在乙酸中反应制得的。通过多种技术对金属Fe(II)-Pc进行了表征，其表面积、能带隙（1.32 eV）和Hammett酸度（H₀ = 1.25）也支持其光催化活性。实验表明，在12W白光LED照射下，Fe(II)-Pc复合物是一种高效且方便的催化剂，能够在乙腈中实现吡咯与芳基/烷基卤化物的C-N偶联反应，且无需使用强碱或添加剂。最佳反应条件为：30毫克Fe(II)-Pc，反应物摩尔比为1.2:1，在12W LED光照下反应30小时。在给定的光催化条件下，多种N-杂环亲核试剂（如吲哚、咪唑、1,2,4-三唑、苯并咪唑和苯并三唑）能够以合理的产率（65%至85%）生成相应的N-芳基化产物。FT-IR、¹H NMR和原子吸收光谱（AAS）证实了Fe(II)-Pc的稳定性，并且在交叉偶联过程中未观察到催化剂流失。实验结果验证了该催化剂适用于包括吡咯、三唑、苯并三唑、咪唑在内的多种底物，能够在常温下高效形成C-N键。因此，利用Fe(II)-Pc可以制备多种重要的药物和化学中间体，符合绿色化学的原则。合理的反应机制表明，在光催化剂被激发后，通过m/z = 261.1649的TEMPO清除剂可以捕获产生的芳基自由基。

引言

生物启发型光催化剂作为设计可支持各种有机转化的催化剂受到了广泛关注[1],[2]。绿色化学的基本原则是采用对环境友好的技术，减少副反应、降低能耗并利用非传统能源[3]。一种适用于有机反应的环保型异相催化剂应具备优异的催化性能、稳定性、可回收性和良好的生物降解性。

研究人员对基于卟啉的大分子特别感兴趣，这类卟啉是通过不同芳香醛与吡咯以相等或不同比例反应制得的[4],[5]。与其他光催化剂相比，卟啉的主要优势在于其可调性、易于分离以及在有机转化中的广泛应用等[6],[7]。

尽管基于卟啉的催化剂在工业应用方面的研究尚未充分展开，但其在光催化、电催化和光动力治疗等领域受到了广泛关注[8]。铁是自然界中含量丰富的金属之一，由于其低成本、低毒性、可变氧化态以及相对于铂（Pt）、钯（Pd）等昂贵稀有金属更易获得，因此在C-C/C-N/C-O键的形成中被广泛用作催化剂[9],[10]。

从工业角度来看，C-N键的形成至关重要，因为它支持药物前体的制备[11],[12]（见图S66，第51页）。此外，氮化合物还用于设计和制造药物递送系统中的靶分子[13]，并能够模拟天然大分子（如酶和受体）用于治疗应用[14]。

铁催化的反应在Tamura和Kochi的成功研究基础上得到了进一步发展[15],[16],[17],[18]。然而，文献显示，铁催化的C-N偶联反应相比C-C键的形成相对较少[19]。

Teo及其研究小组[20]开发了一种基于MnF₂/CuI的路线，在60°C下水溶液中24小时内实现了吡咯与芳基碘化物/溴化物的N-芳基化反应。类似地，铜与金属有机框架[21]或醋酸铜[22],[23]以及镍复合物在温和反应条件下也被有效用于C-N偶联。但这些方法通常需要高温和强碱等苛刻条件，且产率较低。

此外，Rao等人[24]展示了使用低成本的稳定碘化亚铜通过超声技术制备N-(2-甲氧基苯基)-吡咯衍生物的方法。该方案无需添加剂/配体，仅使用芳基碘化物和DMSO溶剂即可成功制备吡咯、咪唑等N-芳基化产物。尽管均相催化具有某些优势，但由于催化剂从反应混合物中回收困难、产物中杂质较多以及环境影响等问题，这些方法在药品和精细化学品的生产中受到限制[25],[26]。

因此，研究人员和工业界更倾向于使用异相催化剂[27]。Veisi及其研究小组[28]制备了一种新型的基于硫半卡巴嗪的碳纳米管，其中共价嵌入了碘化亚铜，可用于吡咯、咪唑、吲哚和苯胺的N-芳基化反应，具有中等至良好的产率。

过去二十年里，多种金属氧化物（如氧化铁[29],[30],[31]、氧化亚铜[32],[34]）已成为C-N键形成的有效催化剂。这些方法在越来越温和的条件下表现出优异的性能。

此外，由于Kochi和Tamura的开创性工作[35],[36],[38]，铁化合物作为替代品和高效催化剂在催化领域发挥了重要作用。

Correa和Carsten[39]开发了一种新的Fe催化方法，在碱存在下，135°C下实现了芳基碘化物/溴化物与N-杂环的C-N键形成。其他研究小组[40],[41],[42]也表明铁氯化物在铜氧化物或配体存在下可用于C-N偶联。然而，缺乏CuO或配体会抑制目标产物的形成。

随后，Swapna等人[43]报道了一种基于石墨载体的Fe(III)异相催化方法，在135°C和KOH存在下无需任何添加剂/配体即可实现N-芳基化胺的高产率（41-95%）。

Suman及其研究小组[44]提出了一种替代的Fe复合物辅助方法，在1,10-菲罗啉配体存在下实现了多种N-杂环化合物与Ar-X（X = -Br, -I）的C-N键形成。该方案仅使用10摩尔%的Fe复合物和2当量的叔丁基氢氧化钾即可成功进行C-N偶联。

从现有文献来看，过渡金属催化的反应通常需要在强碱（如KOH、叔丁基氢氧化钾）和配体存在下进行，并且需要较高的温度。这些条件增加了催化剂回收和产物纯化的步骤。因此，需要寻找无需强碱和配体的C-N键形成方法。事实上，Fe(II)-Pc可能是最佳的C-N偶联选择，因为它能够在无强碱/配体的情况下实现C-N偶联。

铁由于其易获得性、低毒性和可变氧化态，已被证明是有机合成中的高效替代品。基于铁的催化方法可能是替代昂贵金属（如Pt、Pd、Au）的理想选择[16],[19],[45]。目前报道的Fe辅助光催化C-N偶联方法较少。最近，Song等人[15]展示了在紫外光照射下，Fe催化的C-N偶联方法能够适用于多种电子给体/受体底物，产率较高（60-95%）。

最近，我们的团队利用卟啉光催化剂在可见光照射下实现了芳基卤化物与N-杂环的C-N偶联[46],[47],[48]。在此基础上，我们进一步开发了一种基于Fe(II)-Pc的光敏剂，在LED光照射下实现了吡咯等N-杂环的C-N偶联。优化后的条件显示，该催化剂能够高效偶联含有活化基团和钝化基团的芳基卤化物与N-杂环（包括吡咯、咪唑、三唑、苯并三唑、苯并咪唑和吲哚），产率良好。

材料

所有所需的化学品和常用溶剂（包括氘代溶剂）均从信誉良好的供应商处购买。溶剂和化学品的使用遵循了相应供应商的指南和说明（ESI. S1.1，第5页）。

表征技术

通过¹H和¹³C核磁共振、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等先进技术对光催化剂、前体、中间体和C-N产物进行了表征。

Fe(II)-Pc的¹H和¹³C NMR

Fe(II)-Pc的¹H NMR谱显示，卟啉环边缘的吡咯质子共振峰位于8.33–8.31 ppm（Proton-a，见图S67，第52页）。内部未屏蔽的N-H质子的缺失证实了Fe(II)-Pc复合物的形成。磺酸基团的引入通过8.01 ppm处的宽信号得到证实（Proton-b，见图S67）。此外，浴色位移进一步证明了这一点。

N-芳基化吡咯反应的优化

在本研究中，我们通过吡咯和4-氯苯甲醛的模型反应，考察了多种光催化条件，以在可见光照射下实现有效的C-N键形成。我们重点关注了反应时间、光催化剂用量、乙腈中的光强度等因素。反应进程通过乙酸乙酯：己烷（3:7）的TLC进行监测。

最初，我们研究了4-氯苯甲醛与吡咯（1.3:1）的模型反应。

结论

总结来说，我们在95°C下，通过将含有磺酸基团的卟啉与1,2,3-苯并三唑基团和亚铁硫酸盐结合，合成了Fe(II)-Pc复合物。卟啉是由1-(4-甲酰苯基)-3-磺基-1H-苯并[d][1], [2], [3]三唑-3-ium氯化物和吡咯在乙酸中回流条件下反应制得的。金属Fe(II)-Pc通过多种技术得到了验证。其表面积、能带隙（1.32 eV）和Hammett酸度（H₀ = 1.25）也得到了确认。

CRediT作者贡献声明

Pundlik Rambhau Bhagat：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、资源管理、项目协调、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构思。 Sakshi Ravindra Giradkar：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、方法论设计、实验设计、数据分析、数据整理

未引用参考文献

[57]

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突

致谢

作者感谢韦洛尔技术学院（VIT）的SIF SAS部门和SBST设施提供的必要设备。同时，我们也感谢VIT化学系（SAS）以及“生物传感与催化智能材料实验室”在提供关键研究设施方面的支持。此外，我们也感谢IIT-Dharwad在提供固态¹³C设施方面的帮助。