JACS：一种芳基叠氮化物转化为氨基吡啶的反应

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

官能团相互转化是合成有机化学的基础。尽管如此，许多常见官能团之间的直接相互转换仍然难以捉摸。例如，苯直接转化为吡啶，涉及碳到氮原子的交换过程（Figure 1A）。吡啶是最常见的芳香杂环，也是在美国FDA批准的药物中第二常见的杂环。吡啶也是一种重要的苯等排体，可用于调节亲脂性并提高水溶性、代谢稳定性和氢键能力，同时仍保持类似苯的特性。事实上，药物发现程序通常会进行系统的氮原子扫描（N-scans），其中先导化合物中的CH单元被氮原子取代，以改善分子和物理化学性质。这种所谓的“必要的氮原子”效应已被证明可以改善各种关键药理参数，包括从10倍到1000倍的效力（Figure 1B）。然而，目前进行N-扫描的策略依赖于先导化合物及其衍生物的自下而上的再合成。在理想情况下，若能通过单反应操作直接将CH基团交换为氮原子，则更具吸引力。

一个多世纪以来，修饰常见分子的反应引起了化学家的浓厚兴趣。这类反应的最早例子包括Ciamician-Denstedt重排、Beckmann重排和Baeyer-Villiger氧化。近年来，令人兴奋的进展还包括Levin课题组的氮和碳删除（nitrogen and carbon deletion），以及Sarpong课题组饱和杂环的光化学环收缩反应。虽然环扩张/收缩已被广泛探索，但单原子交换却较少有相关的研究。化学家们认为，在不改变环大小的情况下，使用另一个原子替换环体系中的一个原子的能力，能够实现骨架的高效编辑。近日，美国斯坦福大学Noah Z. Burns课题组报道了一种将芳基叠氮化物（易从相应的苯胺获得，且无需柱色谱分离）转化为氨基吡啶的策略（Figure 1C）。同时，氨基吡啶是许多药物中的常见结构单元（Figure 1D）。

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1972年，Sundberg课题组开发了一种在中压汞灯与二乙胺条件下，可光解烷基和芳基取代的苯基叠氮化物，生成几种混合产物，包含两种2-氨基吡啶产物（Figure 2A）。然而，亲核试剂二乙胺以溶剂量使用，中压汞灯用作光源，限制了官能团的耐受性。此外，该反应的收率低，并生成多种的混合产物，包括两种不同取代的吡啶，需要使用制备气相色谱进行分离。

为了解决上述的问题，作者以芳基叠氮化物1a作为底物，进行了光化学反应的研究（Figure 2B）。当在氧气中于各种辐照条件下反应时，可获得少量（≤9%）的2-氨基吡啶3a，以及主要产物3H-䓬2a。作者认为，2a可能是合成3a的关键中间体，因此作者探索了相关的氮插入的过程。

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首先，通过氮插入反应条件的优化后发现（Scheme 1A），当以蓝色LEDs作为光源，Et₂NH（1.1 eq）作为亲核试剂，THF作为溶剂，在氮气氛围中反应，可以>99%的收率得到䓬产物2a。其次，通过对“碳删除”反应条件的优化后发现（Scheme 1B），当以蓝色LEDs作为光源，苊烯作为光敏剂，在氧气氛围中反应，可以54%的收率得到2-氨基吡啶产物3a。此外，为了进一步简化合成的过程，作者还进行了一锅法的研究（Scheme 1C）。研究表明，在蓝色LEDs辐射下，1a先于Et₂NH/THF条件下进行氮插入反应，随后在氧气氛围中于苊烯/MeOH条件下进行碳删除反应，可以57%的收率得到2-氨基吡啶产物3a。

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在获得上述最佳反应条件后，作者对底物范围进行了扩展（Scheme 2）。首先，对位含有一系列吸电子取代基的芳基叠氮化物，均可顺利与Et₂NH进行反应，获得相应的产物3a-3f，收率为18-52%。其次，一系列伯胺或仲胺，均与体系兼容，获得相应的产物3g-3q，收率为23-54%。此外，一系列具有不同官能团的芳基叠氮化物，均可与Et₂NH顺利进行反应，获得相应的产物5a-5e，收率为19-59%。

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紧接着，作者还对反应机理进行了进一步的研究（Scheme 3）。首先，通过碳删除的相关实验，从而排除了从6中删除邻位碳的可能性。同时，在第二阶段删除了间位碳（Scheme 3A）。其次，通过对Wheland中间体的研究发现，删除的碳被氧化，然后作为甲酰基单元被切除，并与醛中间体沿着反应途径进行（Scheme 3B）。基于上述的研究，作者提出了一种合理的催化循环过程（Scheme 3C）。在蓝光辐射下，叠氮化物13脱去氮气生成氮烯14，氮烯14插入C1-C2芳烃π-键中，生成具有张力的2H-氮杂丙烯啶15。15经热6π-电环化开环生成亲电的酮亚胺16，16可与胺亲核试剂反应生成1H-䓬17，17经互变异构化后生成3H-䓬18。随后，18与氧气进行[4+2]环加成反应生成内过氧化物（endoperoxide）19，19经开环生成过氧化物取代的䓬20。20经6π-电环化生成环丙基稠合二氢吡啶21。21中的环丙烷开环以及氢氧根的离去，生成Wheland中间体22。22在甲醇介导的去甲酰化作用下，从而生成2-氨基吡啶23和甲酸甲酯10。

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