腈類化合物不僅廣泛應用于生物制藥、農藥、功能材料等領域，而且是一種重要的有機合成中間體，其合成方法一直備受重視。利用鹵代烴與金屬氰化物作用是合成芳腈化合物的常用方法，主要包括Rosenmund-von Braun反應和Sandmeyer反應。然而上述兩種方法通常需要苛刻的反應條件和劇毒氰化物，環境污染較大。隨著人們對環境和能源問題的日益關注，發展更加清潔、高效的芳腈合成方法成為了有機化學領域的重點目標之一。

近年來，由于醛類物質來源廣泛、廉價易得，以醛為原料經由氧化反應直接制備氰基化合物已發展成為一種極具優勢的途徑。醛氧化合成腈常需要當量的活性氧化劑，如I2/叔丁基過氧化氫、過渡金屬催化劑（圖1a），或使用毒性大且價格昂貴的氮源。為避免上述問題，韓布興教授課題組報道了一例無金屬非均相催化體系，他們以NH3為氮源，在5bar氧氣條件下直接實現了醛到腈的轉化（圖1b）。可見光催化反應相比于傳統的加熱反應，具有操作簡單和節能環保等優點，近年來得到了蓬勃發展，已成功應用于多種化學轉換。

最近，Leadbeater課題組在堿性條件下，碳酸銨作為氮源，以三聯吡啶釕配合物作為光催化劑，4-乙酰氨基TEMPO作為氧化劑前體，過硫酸銨作為終端氧化劑，實現了光催化醛氧化合成腈（圖1c），可惜該體系仍然需要使用貴金屬催化劑。

?

圖1.醛氧化合成氰基化合物的背景和策略

基于此，吳驪珠院士團隊發展了一種溫和、綠色、無金屬參與的方法來實現醛到芳腈的轉化。作者利用有機光催化劑（PC）與催化量氮氧自由基（Cocat.）的協同作用，創建一種雙催化劑體系，在可見光照射下，激發態光催化劑與氮氧自由基之間發生電子得失，原位生成氧銨鎓鹽可將亞胺氧化成氰基化合物。

作者選用醋酸銨作為氮源，醋酸銨相對于其他氮源（如羥胺或六甲基二硅氮烷（HMDS））來說具有更加穩定、低毒且廉價的優良特點。使用綠色清潔的空氣作為終端氧化劑，反應結束后只產生過氧化氫副產物（圖1d）。

為了探究上述設想，作者首先使用苯甲醛與醋酸銨作為原料，50 mg活化4?分子篩作吸水劑進行了條件優化：在光照條件下對不同種類的有機光催化劑、助催化劑、氧源以及溶劑等條件做了篩選。他們發現當以2 mol% 4CzIPN為有機光催化劑，50 mol% TEMPO為助催化劑，空氣為氧源，乙腈為溶劑，40 W 的440 nm 藍光作為光源，反應12 h就可以91%的收率得到目標產物苯甲腈。另外，通過對照實驗他們發現光催化劑、助催化劑、空氣以及光照是反應發生的必要條件（圖2）。

?

a) Reactions were carried out at 0.2 mmol scale in 3 mL CH3CN with 50 mol% Cocat., O2 balloon and 50 mg 4 ? molecular sieves upon 440 nm blue LEDs irradiation for 12 h. b) Yields were obtained from the crude and filtered reaction mixture by GC-FID with n-tetradecane as the internal standard. c) No light, heat up to 60 ℃.

圖2.反應條件優化

在最優反應條件下，作者又對底物適用范圍進行研究（圖3）。結果表明，該反應適用于各種含供、吸電子基團的苯甲醛底物；不同雜環芳醛以及帶有生物活性結構的芳香醛類底物也能收獲中等到優秀的產率；對于醛基與苯環不直接相連的烯丙型底物，反應效果下降較為明顯。較為可惜的是，該反應不適用于脂肪醛。作者進一步選定I-5進行了放量實驗，所得分離產率為86%。

圖3.底物拓展

在確定反應的可行性和適用范圍后，作者繼而對體系進行了一系列機理方面的研究，并提出了可能的反應機理。如圖4所示，激發態光催化劑將TEMPO氧化為具有較強氧化能力的氮氧鎓鹽TEMPO+，自身被還原為陰離子自由基，進一步被氧氣氧化回到基態，實現光催化劑的循環。同時苯甲醛醛和醋酸銨原位形成的亞胺（III-1）親核進攻TEMPO+，經由中間體IV-1獲得終產物苯甲腈和TEMPOH。后者被超氧陰離子自由基氧化，實現TEMPO的催化循環。

圖4.可能的反應機理

相關成果近期在線發表于Science China Chemistry。博士生何旭及鄭藝文博士為文章的共同第一作者，陳彬研究員和吳驪珠院士為共同通訊作者。詳細內容見：Xu He, Yi-Wen Zheng, Bin Chen, Chen-Ho Tung, Li-Zhu WU. Metal-free synthesis of nitriles from aldehydes and ammonium by visible-light photocatalysis. Sci. China. Chem., 2023, DOI: 10.1007/s11426-023-1748-4.

審核編輯：劉清