【有机】华中师大叶飞/香港中文(深圳)成贵娟JACS:激发态硝基芳烃的芳香亲核取代反应

硝基芳烃可以通过芳香化合物的亲电硝化高效简便的大量制备。从硝基出发的取代反应能够直接、高效实现芳环的官能团转化。然而，由于硝基和苯环共轭程度高，不是好的离去基团；且芳香亲核取代反应（S_NAr）产生的中间体不稳定，过渡态能量高，导致芳环上脱硝基的官能团转化长期存在瓶颈。

华中师范大学叶飞课题组近年来致力于芳香环的脱硝基转化反应研究。2025年，该团队与香港中文大学（深圳）成贵娟课题组合作，报道了可见光促进铁催化的芳环脱硝基氯化，揭示了氯对硝基的“自由基”型芳香取代过程（“S_RAr”）（Nat. Chem. 2025, 17, 598–605）。

在此基础上，近日该团队通过计算-实验的结合，进一步发展了激发态硝基芳烃的芳香亲核取代反应（“S_NAr*”），利用硝基自身作为发色团，无需外加光敏剂，可实现（基态）热条件下的芳香亲核取代反应所难以实现的新反应性。电子结构分析表明，激发态反应能垒的显著降低主要归因于两个关键因素：其一，激发态电子重组增强了C4的亲电性；其二，反应过程伴随着芳香性的逐步恢复，从而为脱硝基取代提供了额外驱动力。

通过理论计算的指导以及实验验证，硝基可以被-H/D、-OR、-NHCOCF₃、-NHR、 -OCF₃、-OH、-F、-CN等一系列基团在光照条件下高效、直接取代。机理研究表明，光激发诱导了硝基芳烃电子云的重新分布，改变了与硝基相连的碳原子的电性，最终通过“光激发削弱芳香性—亲核进攻恢复芳香性”的外场赋能机制使得取代反应顺利进行。该反应无需另一吸电子基团，可兼容多（稠）环和单环芳烃，大幅拓宽了硝基芳烃在芳香亲核取代反应中的底物范围，为开发经由底物直接激发的芳香亲核取代反应打开了新的大门。

通过对比加热条件下的反应，可以看出同一底物在不同反应条件下展现出了不同的活性和反应选择性：（1）当使用NaBH₄作为负氢给体时，光照条件下硝基发生了脱硝基氢化，而加热条件硝基却被还原为氨基；（2）对于电中性的芳烃及稠环芳烃底物，加热条件下硝基无法发生取代反应，而光照条件下硝基能够被亲核试剂取代；（3）激发态直接取代策略可以在底物具有杂原子和硝基时选择性取代硝基，而相同底物在基态条件下却选择性取代杂原子。

随后作者开展了放大实验，对产物进行再次硝化后，可进一步实施脱硝基转化，实现底物的连续官能团化。

这是芳香环在激发态发生亲核取代反应（S_NAr*）的首例系统研究，可见光照射条件下硝基苯底物经历电子重构，从而突破了基态条件下难以实现的芳香亲核取代反应路径，实现了广谱的脱硝基官能团转化，为光驱动芳烃官能团转化反应提供了新的理论依据。

该研究成果近期发表于Journal of the American Chemical Society，华中师范大学为第一完成单位，论文的作者为香港中文大学（深圳）博士后吕桢（计算部分）与华中师范大学博士研究生梁恬田（实验部分），论文的通讯作者为华中师范大学叶飞研究员与香港中文大学（深圳）成贵娟教授。

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Excited-State S_NAr Reactions of Nitroarenes

Zhen Lyu, Tiantian Liang, Gui-Juan Cheng*, Fei Ye*

J. Am. Chem. Soc. 2026, DOI: 10.1021/jacs.5c21841