光催化乌尔曼型偶联反应研究进展

史作冬，徐 泽，杨凯月，路广印，廖力波,徐 浩*

(1.河南大学 化学化工学院, 河南 开封475004; 2.河南豫珠恒力生物科技有限责任公司, 河南 孟州 450008)

乌尔曼反应于1901年发现，距今已然有一百多年的历史[1]。最初多用于卤代芳烃自身偶联，后逐渐应用于卤代芳烃与亲核试剂的偶联，目前已经发展成为一种高效的构建C-N、C-O、C-C、C-S、C-P键的反应，被广泛应用在医药、除草剂[2]、光稳定剂[3]、导体及半导体材料等的合成。众所周知，由于芳基碳卤键具有较高的键能，在偶联反应中常需要使用钯催化剂，例如Heck反应、Suzuki反应，Negishi反应等。而Ullmann反应常用铜盐作催化剂[4-5]，价格低廉，且对环境及人身危害较小[6-7]。为了使反应条件更加温和，近代的乌尔曼偶联反应常使用配体与过渡金属催化剂联用，大多数反应仍需在加热条件下进行。

光催化反应具有绿色环保、高效节能等优点，已经在有机合成中得到了广泛的应用[8-14]，光催化乌尔曼型反应也有近十年的发展历史。常规乌尔曼偶联多通过双电子转移氧化加成还原消除，既CuI-CuIII的机理进行；而不同于上述机理，光催化的该类型反应多通过单电子转移实现反应，减少了过渡金属与配体的使用。本文将重点介绍近十年来光催化乌尔曼反应的研究进展，并对其未来的研究方向进行展望。

1 光催化Ullmann反应机理

1.1 热条件反应机理

如图1所示，通过常规加热方式的乌尔曼偶联反应有两种可能的机理。两种机理都是通过CuI-CuIII-CuI进行循环的，亦即均是通过双电子转移，故而需要较高的能量才能反应。

图1 热反应条件下乌尔曼机理Fig.1 Prediction of Ullmann mechanism under thermal reaction conditions

1.2 光催化反应机理

不同于常规乌尔曼偶联反应，光催化型反应更多是通过单电子转移进行的，即在光照下形成自由基(以C-S键的偶联为例)，如图2所示。芳基自由基与铜(II)-硫代酸盐的偶联是一个关键步骤，因此单电子转移的光催化偶联所需能量较低。

图2 光诱导铜催化交叉偶联的可能反应机理Fig.2 Possible mechanism for photo-induced copper catalyzed Ullmann-typed couplings via SET process

2 光催化Ullmann偶联反应研究进展

2.1 C-N键偶联

2012年，FU课题组在室温铜催化条件下，实现了咔唑盐与碘苯的光催化偶联[15](图3)。作者通过大量的控制实验，提出了反应的单电子转移机理。

图3 光诱导铜催化的咔唑与碘苯偶联反应Fig.3 Photo-induced copper catalytic coupling of carbazole with iodobenzene

2013年，FU课题组在室温条件下通过单电子转移机理实现了碘苯与N杂环的光诱导偶联[16-18]，且其他氮杂环(吲哚、苯并咪唑和咪唑等常见N杂环)也可以在室温下实现偶联(图4)。

图4 碘苯与N杂环的无配体光催化偶联Fig.4 Photocatalytic coupling of iodobenzene and N-heterocyclic without ligands

2015年，SHU课题组[23]报道了可见光下咔唑衍生物与芳基碘化物的氧化偶联。该反应以三(2-苯基吡啶)铱为光催化剂和铜盐联合使用，以DMSO为溶剂，在温和条件下进行，也是首次通过可见光实现咔唑衍生物偶联的例子(图5)。

图5 咔唑衍生物与芳基碘化物的乌尔曼偶联反应Fig.5 Ullman coupling of carbazole derivative with aryl iodide

2018年,MACMILLAN 课题组报道了镍催化磺胺类与芳基亲电分子之间的C-N键偶联[24-25]。该反应用镍作为过渡金属，并且N-芳基和N-异芳基磺酰胺基亦适用于该类型反应。作者同时提出了一种双电子转移机理(图6)。

图6 亲电子芳基卤化物与磺胺类偶联反应Fig.6 Coupling of electrophilic aryl halides with sulfonamides

2018年，MIYAKE课题组在廉价的镍催化下实现了芳基碘化物与胺的偶联反应[20-21]。该策略底物范围宽，官能团耐受性好(图7)。作者通过控制实验，印证了反应的单电子转移机理。

图7 卤代芳烃与胺的光催化偶联反应Fig.7 Photocatalytic coupling reaction of iodobenzene with amines

2018年，LI课题组报道了Cu/Cu2O纳米粒子催化的邻硝基碘苯/溴苯与胺的偶联反应[22]。该反应无需加入任何溶剂，产率高，成本低，但适用范围窄，只适用于邻硝基碘苯/溴苯(图8)。

图8 邻硝基卤苯与胺的无配体偶联Fig.8 Coupling of orthonitrophenyl halide with amines without ligands

2020年，BUCHWALD课题组[19]报道了一种将(杂)芳基卤化物与多种胺交叉偶联的新方法。该反应的底物范围较广，甚至包括较少活化的(杂)芳基溴化物和缺电子的(杂)芳基，且反应时间短，缺点是需要加热辅助(图9)。

图9 杂环卤化物与胺光催化偶联反应Fig.9 Photocatalytic coupling of heterocyclic aryl halide with various amines

2.2 C-O键偶联

2014年，FU课题组[26]通过在室温和铜催化条件下，实现了酚类和芳基碘化物在光催化下偶联生成二芳基醚(图10)。研究表明，Cu(I)-苯氧基CO是光诱导的C-O键形成中的一种有效中间体。

图10 酚类化合物与芳基碘化物的偶联反应Fig.10 Coupling reaction of phenolic compounds with aryl iodine

2.3 C-S键偶联

2013年，FU课题组[27-28]实现了0 ℃下硫醇与芳基卤的C-S键偶联(图11)，且证明反应是通过单电子转移机理进行的。

2016年，FU课题组报道了室温下卤代芳烃与硫醇的光催化偶联[29]。该反应不仅适用于芳基碘、芳基溴和芳基氯，同样适用于芳基氟，具有非常广泛的底物适用性(图12)。

图12 卤代芳烃与硫醇的室温下光催化偶联Fig.12 Photocatalytic coupling of halogenated aromatic hydrocarbon and mercaptan at room temperature

2016年，FU课题组[30]研究了光催化铜介导的芳基硫醇与芳基卤化物乌尔曼偶联反应(图13)，经对比实验进一步印证了之前提出的单电子转移机理。

图13 光诱导铜介导芳基硫醇与芳基卤化物的交叉偶联Fig.13 Photoinduced,copper-mediated cross-coupling of an aryl thiol with aryl Halide

2017年MIYAKE课题组[31]报道了一种温和的、可扩展的、可见光促进的硫醇和芳基卤化物之间的交叉偶联反应(图14)。该反应在不添加过渡金属的情况下也能构建C-S键，且适用范围广，官能团耐受性强，符合单电子转移机理。

图14 硫醇与芳基卤化物的光催化偶联Fig.14 Photocatalytic coupling of mercaptan with aryl halide

2018年，ZHANG课题组[32-33]报道了一种简便、高效的磺酸盐和芳基卤化物磺酸盐的合成方法，同时印证了单电子转移机理。该反应不需要加入过渡金属以及光催化剂，但只能在紫外光下进行(图15)。

图15 磺酸盐和芳基卤化物无过渡金属偶联Fig.15 Coupling of sulfonate and aryl halide without transition metal

2.4 C-P键偶联

2018年，LI课题组[34]报道了芳基卤化物与膦酸盐的交叉偶联反应。该反应无需加入过渡金属和光敏剂，在温和的条件下合成了多种目标产物，是一种新兴的光诱导合成芳基膦氧化物的方法(图16)。

图16 芳基卤化物与膦酸盐的无光诱导过渡金属和光敏剂交叉偶联Fig.16 Photoinduced cross-coupling of transition metals and photosensitizers from aryl Halides and phosphates

3 结论与展望

近年来光催化乌尔曼偶联反应已经逐步取代常规乌尔曼反应，反应机理也由经典的氧化加成还原消除双电子转移机理，发展为单电子转移。目前，光催化乌尔曼反应仍然存在着如下问题：无过渡金属条件下的产率仍有待提高；多以紫外光作为光源，在可见光下需要使用铱等贵金属催化剂。此外，目前的催化剂多为均相催化剂，无法回收利用。如果能够实现在高收率的条件下的非均相催化，将会进一步实现低成本、绿色环保的理念。