含氮芳環廣泛存在于天然產物、藥物分子、有機材料及配體中。通過選擇性碳氫鍵官能團化的方式對含氮芳環進行后期修飾具有重要意義。在酸性和氧化條件下，自由基對含氮芳環的加成反應，即Minisci反應，提供了一種很高效地合成烷基取代的含氮芳環的方法。傳統上的Minisci反應往往需要過量的氧化劑和酸以及很高的溫度，這大大限制了底物的適用范圍。

隨著光催化在有機合成中的快速發展，近幾年來，有機化學家們報道了多種光催化下的Minisci反應，并且成功應用到藥物的合成中。但非活化鹵代烷烴作為烷基自由基的來源來實現Minisci反應卻鮮有報道，這主要是由于非活化鹵代烷烴的還原電位較低，很難被光催化劑還原產生烷基自由基。

由于硅溴鍵BDE值（96 kcal/mol）和碳溴鍵BDE值（69 kcal/mol）的差異，由硅基自由基攫取鹵代烷烴的鹵原子產生烷基自由基的過程很容易發生。受此啟發，南開大學汪清民教授課題組實現了可見光催化下非活化鹵代烷烴的Minisci C-H烷基化反應。這一成果近期發表在Chem. Sci.，并被選為封面文章（“牛郎織女鵲橋相會”）。

該Minisci反應的條件溫和，首次使用氧氣作為氧化劑，這使得該反應具有良好的官能團兼容性和底物適用范圍（圖1）

圖1. 光催化非活化鹵代烷烴的Minisci C-H烷基化反應

此方法提供了一種新穎的“后期官能團化”策略，可用于制備使用以往方法難以獲得的復雜分子。為了考察該反應的實用性，作者對多種天然產物和藥物進行了后期官能團化修飾。

圖2. 天然產物和藥物的后期官能團化研究

實驗及機理研究表明：在光照條件下，光催化劑被激發，同時體系中的烷基溴會產生微量的Br^–離子，激發態的三價光催化劑將Br^–離子氧化成溴自由基，同時得到二價態的光催化劑。溴自由基攫取硅烷的氫原子產生硅基自由基。

由于硅溴鍵BDE值（96 kcal/mol）和碳溴鍵BDE值（69kcal/mol）的差異，硅基自由基攫取溴代烷烴的溴原子產生烷基自由基A。親核性的烷基自由基A對含氮芳環加成得到反應中間體B。氧氣氧化二價態的光催化劑以完成整個光催化的循環同時得到O₂^?.，O₂^?.攫取中間體B的氫原子得到最終產物。

圖3. 機理研究

該論文的第一作者是南開大學元素所的博士生董建洋，通訊作者是南開大學汪清民教授。

Visible-Light-Mediated Minisci C–H Alkylation of Heteroarenes with Unactivated Alkyl Halides Using O2 as an Oxidant. Chem. Sci., 2019, 10, 976-982, DOI: 10.1039/C8SC04892D.