史作冬，徐 澤，楊凱月，路廣印，廖力波,徐 浩*

(1.河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 河南 開(kāi)封475004; 2.河南豫珠恒力生物科技有限責(zé)任公司, 河南 孟州 450008)

烏爾曼反應(yīng)于1901年發(fā)現(xiàn)，距今已然有一百多年的歷史[1]。最初多用于鹵代芳烴自身偶聯(lián)，后逐漸應(yīng)用于鹵代芳烴與親核試劑的偶聯(lián)，目前已經(jīng)發(fā)展成為一種高效的構(gòu)建C-N、C-O、C-C、C-S、C-P鍵的反應(yīng)，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、除草劑[2]、光穩(wěn)定劑[3]、導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料等的合成。眾所周知，由于芳基碳鹵鍵具有較高的鍵能，在偶聯(lián)反應(yīng)中常需要使用鈀催化劑，例如Heck反應(yīng)、Suzuki反應(yīng)，Negishi反應(yīng)等。而Ullmann反應(yīng)常用銅鹽作催化劑[4-5]，價(jià)格低廉，且對(duì)環(huán)境及人身危害較小[6-7]。為了使反應(yīng)條件更加溫和，近代的烏爾曼偶聯(lián)反應(yīng)常使用配體與過(guò)渡金屬催化劑聯(lián)用，大多數(shù)反應(yīng)仍需在加熱條件下進(jìn)行。

光催化反應(yīng)具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在有機(jī)合成中得到了廣泛的應(yīng)用[8-14]，光催化烏爾曼型反應(yīng)也有近十年的發(fā)展歷史。常規(guī)烏爾曼偶聯(lián)多通過(guò)雙電子轉(zhuǎn)移氧化加成還原消除，既CuI-CuIII的機(jī)理進(jìn)行；而不同于上述機(jī)理，光催化的該類型反應(yīng)多通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，減少了過(guò)渡金屬與配體的使用。本文將重點(diǎn)介紹近十年來(lái)光催化烏爾曼反應(yīng)的研究進(jìn)展，并對(duì)其未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望。

1 光催化Ullmann反應(yīng)機(jī)理

1.1 熱條件反應(yīng)機(jī)理

如圖1所示，通過(guò)常規(guī)加熱方式的烏爾曼偶聯(lián)反應(yīng)有兩種可能的機(jī)理。兩種機(jī)理都是通過(guò)CuI-CuIII-CuI進(jìn)行循環(huán)的，亦即均是通過(guò)雙電子轉(zhuǎn)移，故而需要較高的能量才能反應(yīng)。

圖1 熱反應(yīng)條件下烏爾曼機(jī)理Fig.1 Prediction of Ullmann mechanism under thermal reaction conditions

1.2 光催化反應(yīng)機(jī)理

不同于常規(guī)烏爾曼偶聯(lián)反應(yīng)，光催化型反應(yīng)更多是通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移進(jìn)行的，即在光照下形成自由基(以C-S鍵的偶聯(lián)為例)，如圖2所示。芳基自由基與銅(II)-硫代酸鹽的偶聯(lián)是一個(gè)關(guān)鍵步驟，因此單電子轉(zhuǎn)移的光催化偶聯(lián)所需能量較低。

圖2 光誘導(dǎo)銅催化交叉偶聯(lián)的可能反應(yīng)機(jī)理Fig.2 Possible mechanism for photo-induced copper catalyzed Ullmann-typed couplings via SET process

2 光催化Ullmann偶聯(lián)反應(yīng)研究進(jìn)展

2.1 C-N鍵偶聯(lián)

2012年，F(xiàn)U課題組在室溫銅催化條件下，實(shí)現(xiàn)了咔唑鹽與碘苯的光催化偶聯(lián)[15](圖3)。作者通過(guò)大量的控制實(shí)驗(yàn)，提出了反應(yīng)的單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理。

圖3 光誘導(dǎo)銅催化的咔唑與碘苯偶聯(lián)反應(yīng)Fig.3 Photo-induced copper catalytic coupling of carbazole with iodobenzene

2013年，F(xiàn)U課題組在室溫條件下通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理實(shí)現(xiàn)了碘苯與N雜環(huán)的光誘導(dǎo)偶聯(lián)[16-18]，且其他氮雜環(huán)(吲哚、苯并咪唑和咪唑等常見(jiàn)N雜環(huán))也可以在室溫下實(shí)現(xiàn)偶聯(lián)(圖4)。

圖4 碘苯與N雜環(huán)的無(wú)配體光催化偶聯(lián)Fig.4 Photocatalytic coupling of iodobenzene and N-heterocyclic without ligands

2015年，SHU課題組[23]報(bào)道了可見(jiàn)光下咔唑衍生物與芳基碘化物的氧化偶聯(lián)。該反應(yīng)以三(2-苯基吡啶)銥為光催化劑和銅鹽聯(lián)合使用，以DMSO為溶劑，在溫和條件下進(jìn)行，也是首次通過(guò)可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)咔唑衍生物偶聯(lián)的例子(圖5)。

圖5 咔唑衍生物與芳基碘化物的烏爾曼偶聯(lián)反應(yīng)Fig.5 Ullman coupling of carbazole derivative with aryl iodide

2018年,MACMILLAN 課題組報(bào)道了鎳催化磺胺類與芳基親電分子之間的C-N鍵偶聯(lián)[24-25]。該反應(yīng)用鎳作為過(guò)渡金屬，并且N-芳基和N-異芳基磺酰胺基亦適用于該類型反應(yīng)。作者同時(shí)提出了一種雙電子轉(zhuǎn)移機(jī)理(圖6)。

圖6 親電子芳基鹵化物與磺胺類偶聯(lián)反應(yīng)Fig.6 Coupling of electrophilic aryl halides with sulfonamides

2018年，MIYAKE課題組在廉價(jià)的鎳催化下實(shí)現(xiàn)了芳基碘化物與胺的偶聯(lián)反應(yīng)[20-21]。該策略底物范圍寬，官能團(tuán)耐受性好(圖7)。作者通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)，印證了反應(yīng)的單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理。

圖7 鹵代芳烴與胺的光催化偶聯(lián)反應(yīng)Fig.7 Photocatalytic coupling reaction of iodobenzene with amines

2018年，LI課題組報(bào)道了Cu/Cu2O納米粒子催化的鄰硝基碘苯/溴苯與胺的偶聯(lián)反應(yīng)[22]。該反應(yīng)無(wú)需加入任何溶劑，產(chǎn)率高，成本低，但適用范圍窄，只適用于鄰硝基碘苯/溴苯(圖8)。

圖8 鄰硝基鹵苯與胺的無(wú)配體偶聯(lián)Fig.8 Coupling of orthonitrophenyl halide with amines without ligands

2020年，BUCHWALD課題組[19]報(bào)道了一種將(雜)芳基鹵化物與多種胺交叉偶聯(lián)的新方法。該反應(yīng)的底物范圍較廣，甚至包括較少活化的(雜)芳基溴化物和缺電子的(雜)芳基，且反應(yīng)時(shí)間短，缺點(diǎn)是需要加熱輔助(圖9)。

圖9 雜環(huán)鹵化物與胺光催化偶聯(lián)反應(yīng)Fig.9 Photocatalytic coupling of heterocyclic aryl halide with various amines

2.2 C-O鍵偶聯(lián)

2014年，F(xiàn)U課題組[26]通過(guò)在室溫和銅催化條件下，實(shí)現(xiàn)了酚類和芳基碘化物在光催化下偶聯(lián)生成二芳基醚(圖10)。研究表明，Cu(I)-苯氧基CO是光誘導(dǎo)的C-O鍵形成中的一種有效中間體。

圖10 酚類化合物與芳基碘化物的偶聯(lián)反應(yīng)Fig.10 Coupling reaction of phenolic compounds with aryl iodine

2.3 C-S鍵偶聯(lián)

2013年，F(xiàn)U課題組[27-28]實(shí)現(xiàn)了0 ℃下硫醇與芳基鹵的C-S鍵偶聯(lián)(圖11)，且證明反應(yīng)是通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理進(jìn)行的。

2016年，F(xiàn)U課題組報(bào)道了室溫下鹵代芳烴與硫醇的光催化偶聯(lián)[29]。該反應(yīng)不僅適用于芳基碘、芳基溴和芳基氯，同樣適用于芳基氟，具有非常廣泛的底物適用性(圖12)。

圖12 鹵代芳烴與硫醇的室溫下光催化偶聯(lián)Fig.12 Photocatalytic coupling of halogenated aromatic hydrocarbon and mercaptan at room temperature

2016年，F(xiàn)U課題組[30]研究了光催化銅介導(dǎo)的芳基硫醇與芳基鹵化物烏爾曼偶聯(lián)反應(yīng)(圖13)，經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步印證了之前提出的單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理。

圖13 光誘導(dǎo)銅介導(dǎo)芳基硫醇與芳基鹵化物的交叉偶聯(lián)Fig.13 Photoinduced,copper-mediated cross-coupling of an aryl thiol with aryl Halide

2017年MIYAKE課題組[31]報(bào)道了一種溫和的、可擴(kuò)展的、可見(jiàn)光促進(jìn)的硫醇和芳基鹵化物之間的交叉偶聯(lián)反應(yīng)(圖14)。該反應(yīng)在不添加過(guò)渡金屬的情況下也能構(gòu)建C-S鍵，且適用范圍廣，官能團(tuán)耐受性強(qiáng)，符合單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理。

圖14 硫醇與芳基鹵化物的光催化偶聯(lián)Fig.14 Photocatalytic coupling of mercaptan with aryl halide

2018年，ZHANG課題組[32-33]報(bào)道了一種簡(jiǎn)便、高效的磺酸鹽和芳基鹵化物磺酸鹽的合成方法，同時(shí)印證了單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理。該反應(yīng)不需要加入過(guò)渡金屬以及光催化劑，但只能在紫外光下進(jìn)行(圖15)。

圖15 磺酸鹽和芳基鹵化物無(wú)過(guò)渡金屬偶聯(lián)Fig.15 Coupling of sulfonate and aryl halide without transition metal

2.4 C-P鍵偶聯(lián)

2018年，LI課題組[34]報(bào)道了芳基鹵化物與膦酸鹽的交叉偶聯(lián)反應(yīng)。該反應(yīng)無(wú)需加入過(guò)渡金屬和光敏劑，在溫和的條件下合成了多種目標(biāo)產(chǎn)物，是一種新興的光誘導(dǎo)合成芳基膦氧化物的方法(圖16)。

圖16 芳基鹵化物與膦酸鹽的無(wú)光誘導(dǎo)過(guò)渡金屬和光敏劑交叉偶聯(lián)Fig.16 Photoinduced cross-coupling of transition metals and photosensitizers from aryl Halides and phosphates

3 結(jié)論與展望

近年來(lái)光催化烏爾曼偶聯(lián)反應(yīng)已經(jīng)逐步取代常規(guī)烏爾曼反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理也由經(jīng)典的氧化加成還原消除雙電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，發(fā)展為單電子轉(zhuǎn)移。目前，光催化烏爾曼反應(yīng)仍然存在著如下問(wèn)題：無(wú)過(guò)渡金屬條件下的產(chǎn)率仍有待提高；多以紫外光作為光源，在可見(jiàn)光下需要使用銥等貴金屬催化劑。此外，目前的催化劑多為均相催化劑，無(wú)法回收利用。如果能夠?qū)崿F(xiàn)在高收率的條件下的非均相催化，將會(huì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低成本、綠色環(huán)保的理念。