史作冬，徐 澤，楊凱月，路廣印，廖力波,徐 浩*

(1.河南大學 化學化工學院, 河南 開封475004; 2.河南豫珠恒力生物科技有限責任公司, 河南 孟州 450008)

烏爾曼反應于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建C-N、C-O、C-C、C-S、C-P鍵的反應，被廣泛應用在醫(yī)藥、除草劑[2]、光穩(wěn)定劑[3]、導體及半導體材料等的合成。眾所周知，由于芳基碳鹵鍵具有較高的鍵能，在偶聯(lián)反應中常需要使用鈀催化劑，例如Heck反應、Suzuki反應，Negishi反應等。而Ullmann反應常用銅鹽作催化劑[4-5]，價格低廉，且對環(huán)境及人身危害較小[6-7]。為了使反應條件更加溫和，近代的烏爾曼偶聯(lián)反應常使用配體與過渡金屬催化劑聯(lián)用，大多數(shù)反應仍需在加熱條件下進行。

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

1 光催化Ullmann反應機理

1.1 熱條件反應機理

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

圖1 熱反應條件下烏爾曼機理Fig.1 Prediction of Ullmann mechanism under thermal reaction conditions

1.2 光催化反應機理

不同于常規(guī)烏爾曼偶聯(lián)反應，光催化型反應更多是通過單電子轉(zhuǎn)移進行的，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)是一個關鍵步驟，因此單電子轉(zhuǎn)移的光催化偶聯(lián)所需能量較低。

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

2 光催化Ullmann偶聯(lián)反應研究進展

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，實現(xiàn)了咔唑鹽與碘苯的光催化偶聯(lián)[15](圖3)。作者通過大量的控制實驗，提出了反應的單電子轉(zhuǎn)移機理。

圖3 光誘導銅催化的咔唑與碘苯偶聯(lián)反應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單電子轉(zhuǎn)移機理實現(xiàn)了碘苯與N雜環(huán)的光誘導偶聯(lián)[16-18]，且其他氮雜環(huán)(吲哚、苯并咪唑和咪唑等常見N雜環(huán))也可以在室溫下實現(xiàn)偶聯(lián)(圖4)。

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

2015年，SHU課題組[23]報道了可見光下咔唑衍生物與芳基碘化物的氧化偶聯(lián)。該反應以三(2-苯基吡啶)銥為光催化劑和銅鹽聯(lián)合使用，以DMSO為溶劑，在溫和條件下進行，也是首次通過可見光實現(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Fig.5 Ullman coupling of carbazole derivative with aryl iodide

2018年,MACMILLAN 課題組報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]。該反應用鎳作為過渡金屬，并且N-芳基和N-異芳基磺酰胺基亦適用于該類型反應。作者同時提出了一種雙電子轉(zhuǎn)移機理(圖6)。

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

2018年，MIYAKE課題組在廉價的鎳催化下實現(xiàn)了芳基碘化物與胺的偶聯(lián)反應[20-21]。該策略底物范圍寬，官能團耐受性好(圖7)。作者通過控制實驗，印證了反應的單電子轉(zhuǎn)移機理。

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

2018年，LI課題組報道了Cu/Cu2O納米粒子催化的鄰硝基碘苯/溴苯與胺的偶聯(lián)反應[22]。該反應無需加入任何溶劑，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配體偶聯(lián)Fig.8 Coupling of orthonitrophenyl halide with amines without ligands

2020年，BUCHWALD課題組[19]報道了一種將(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，且反應時間短，缺點是需要加熱輔助(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]通過在室溫和銅催化條件下，實現(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)，且證明反應是通過單電子轉(zhuǎn)移機理進行的。

2016年，F(xiàn)U課題組報道了室溫下鹵代芳烴與硫醇的光催化偶聯(lián)[29]。該反應不僅適用于芳基碘、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的芳基硫醇與芳基鹵化物烏爾曼偶聯(lián)反應(圖13)，經(jīng)對比實驗進一步印證了之前提出的單電子轉(zhuǎn)移機理。

圖13 光誘導銅介導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]報道了一種溫和的、可擴展的、可見光促進的硫醇和芳基鹵化物之間的交叉偶聯(lián)反應(圖14)。該反應在不添加過渡金屬的情況下也能構建C-S鍵，且適用范圍廣，官能團耐受性強，符合單電子轉(zhuǎn)移機理。

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]報道了一種簡便、高效的磺酸鹽和芳基鹵化物磺酸鹽的合成方法，同時印證了單電子轉(zhuǎn)移機理。該反應不需要加入過渡金屬以及光催化劑，但只能在紫外光下進行(圖15)。

圖15 磺酸鹽和芳基鹵化物無過渡金屬偶聯(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]報道了芳基鹵化物與膦酸鹽的交叉偶聯(lián)反應。該反應無需加入過渡金屬和光敏劑，在溫和的條件下合成了多種目標產(chǎn)物，是一種新興的光誘導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光誘導過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

近年來光催化烏爾曼偶聯(lián)反應已經(jīng)逐步取代常規(guī)烏爾曼反應，反應機理也由經(jīng)典的氧化加成還原消除雙電子轉(zhuǎn)移機理，發(fā)展為單電子轉(zhuǎn)移。目前，光催化烏爾曼反應仍然存在著如下問題：無過渡金屬條件下的產(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，將會進一步實現(xiàn)低成本、綠色環(huán)保的理念。