芳腈类化合物广泛应用于天然产物，药物，农用化学品，染料和除草剂中。由于氰基可以容易地转化成各种官能团，因此芳基腈也是合成有机化学中的重要中间体。腈类化合物合成的传统方法包括Sandmeyer反应，Rosnmund–von Braun反应以及醛肟和酰胺的脱水反应。近年来，化学家已经探索了许多用于这种转化的氰化试剂，包括金属氰化物和有机氰基源。从氰化物阴离子到醛的氮转移正在成为合成芳香腈的一种有前途的方法。然而，该方法仍然存在一个缺点，即需要使用化学计量的 Cu(II) 或 Cu(I) 盐来进行反应。
河南农业大学任运来课题组一直致力于铜催化C≡N-中的三键断裂的研究。在前期工作的基础上（Catalysis Communications 2020, DOI: 10.1016/j.catcom.2020.106175），作者克服了使用化学计量铜盐的缺点，开发了一种催化方法，通过使用 phen/Cu2O 作为催化剂完全裂解 C≡N 三键，将氮从氰化物阴离子中转移到醇当中。（图 1） 该方法允许一系列苯甲醇以中等至高产率顺利转化为芳香腈。（图 2）此外，本方法可以扩展到肉桂醇向3-苯基丙烯腈的转化。
图 1. C≡N三键断裂合成芳香腈的方法
图 2. 底物拓展
如图3为了探究反应中产生区域选择性的原因，作者进行了系列控制实验。当使用K4[Fe(13CN)6] （3a）或 13C-DMSO （3b）时，没有形成 13C 标记的产物，这表明 K4[Fe(CN)6] 和 DMSO 都没有提供碳给腈产物，因此在我们的条件下，氰基的碳原子来自醇是合理的。4-甲氧基苄醇在不存在K4[Fe(CN)6] 的情况下进行氧化脱氢得到醛，收率77%，醛与K4[Fe(CN)6] 在我们的条件下得到产物。这些结果表明本转化是逐步反应，其中醇氧化脱氢为醛，然后醛转化为腈（3c）。观察到少量4-甲氧基苯甲酸副产物，因此本反应可能经历了4-甲氧基苯乙酸的形成、脱羧和氰化，但基于以下结果排除了这种可能性： 目前的条件不允许 4-甲氧基苯乙酸转化为腈产物（3d）。有趣的是，当 Cu2O 不存在时，会形成 5% 的 4-甲氧基苯甲腈产物（3h），这表明 4-甲氧基苯甲醛可以直接与K4[Fe(CN)6] 反应。
图3. 机理探究
结合上述实验探究，作者提出了可能的反应机理：醇I首先在1,10-菲咯啉/Cu2O的催化下氧化脱氢得到醛II，然后通过单电子转移从Cu催化氧化形成酰基III（已通过自由基捕捉剂实验证明）。酰基自由基 III 与 FeII(CN-)6 反应生成 FeII 键合的以碳为中心的自由基 IV。然后IV和氧分子之间的反应得到苯甲酰异氰酸酯VI。最后，从苯甲酰异氰酸酯 VI 中消除二氧化碳分子，得到苯甲腈产物。
图4. 反应机理
任运来课题组报道了一种有效的催化剂，以氰化物阴离子为氮源，通过完全裂解 C≡N 三键，将苯甲醇转化为芳香腈，避免了之前报告中化学计量铜盐的消耗。该研究工作得到了河南省重点研发和推广项目、河南省自然科学基金和国家自然科学基金项目的大力支持。