喹喔啉-2（1H）-酮的非均相光催化C-H反应研究进展

杨骐鸣，雷以柱

（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004）

催化作用在化学基础研究和化学工业应用中具有十分重要的意义，几十年来人们发明了许多具有重大科学和工业意义的催化剂,作为催化科学的核心，非均相催化因其低成本、环境友好、高活性、高选择性和高稳定性，使催化剂易于回收、再生和可持续生产而获得广泛关注［1］。在发展高性能非均相催化反应过程中，已经开发了多种非均相催化剂，如固体酸催化剂、有机碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、复合催化剂、稀土催化剂、分子筛催化剂、生物催化剂、纳米催化剂等［2,3］。随着科技的发展，非均相光催化反应得到广泛应用。

非均相光催化反应有许多优点，如:（1）利用可持续的太阳能资源；（2）非均相光催化氧化反应速度快，能耗低；（3）与传统处理技术相比，反应条件较传统热催化温和等。

非均相光催化对有机合成方法的发展有重要作用，特别是喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反应的研究，由于其环境友好性、高活性、选择性、稳定性、易于回收、再生和可持续生产而不断出现。不过，尽管研究成果丰硕，使用非均相光催化剂的喹喔啉-2（1H）-酮的C-H功能化研究尚未有综述报道。为了更好地利用非均相光催化剂开发喹喔啉-2（1H）-酮的C-H 功能化方法，有必要对它们进行总结。

1 喹喔啉-2（1H）-酮为底物的非均相光催化反应

喹喔啉-2（1H）-酮被认为是一类重要的含氮杂环结构基团，存在于各种具有生物活性的天然产品和药物化合物中［4］。喹喔啉-2（1H）-酮在材料科学中也有广泛的应用［5,6］。近年来，以喹喔啉-2（1H）-酮为底物的非均相光催化反应受到越来越多的关注。其中，喹喔啉-2（1H）-酮在C3位直接C-H 功能化是合成喹喔啉-2（1H）-酮衍生物最经济的方法，在这个领域出现了大量的研究［7，8，9，10，11，12，13，14］。

在本文中，我们对喹喔啉-2（1H）-酮C-H 功能化的非均相光催化反应的研究进展进行综述，并根据非均相光催化剂的类型进行分类。喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反应如图1所示。

图1 喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反应

2 喹喔啉-2（1H）-酮在非均相光催化下的直接C-H功能化

2.1 石墨相氮化碳作为非均相光催化剂

石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种低成本、易于制备、无金属的半导体光催化剂。g-C3N4作为一种环境友好、易于回收和高效的非均相光催化剂，已被广泛用于各种有机转化［15，16］。

2020年，余（Yu）等［17］报道了g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮与N-芳基甘氨酸在可见光下的歧化非均相反应。在DMSO/H2O和EtOH中，溶剂控制反应得到的两种不同产物的产率均较高。完成了一系列底物的制备，获得较好的收率。克级反应收率达80%。经过一系列对照实验得出了结论，反应介质是这种转换的关键调制器。即在DMSO/H2O 中低浓度的氧产生氨氢甲基化产物3a，而在高溶解氧浓度的乙醇中进行反应则有利于环化产物4a。对g-C3N4的循环实验进行了研究，乙酸乙酯洗涤后，g-C3N4的催化活性在第五次循环中基本保持不变，表明该多相光催化剂具有稳定性和可重复性。g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮与N-芳基甘氨酸非均相光催化反应式如图2所示。

图2 g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮与N-芳基甘氨酸非均相光催化反应

2022 年，彭（Peng）［18］和他的同事们提出一种非均相可见光诱导的喹喔啉-2（1H）-酮的直接C-H 羟基化方法，该方法使用g-C3N4作为空气条件下的光催化剂，通过简单的洗涤和过滤得到各种3-羟基喹喔啉-2（1H）-酮。在标准条件下作者研究了喹喔啉-2（1H）-酮的羟基化循环反应。在反应结束时，通过简单的过滤和用反应溶剂冲洗，将g-C3N4光催化剂从反应混合物中回收和干燥，然后直接在下一轮中重新使用。该反应最多循环6次，催化活性没有明显损失。值得注意的是，在没有硫醇或在N2环境下，该反应不能顺利进行。这表明硫醇和氧气对反应是必要的。g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮非均相羟基化反应式如图3所示。

图3 g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮非均相羟基化反应

2022年，谢（Xie）等［19］人报道了在空气条件下阳光诱导和g-C3N4催化的喹喔啉-2（1H）-酮的磺化反应，该反应提供了一个非常有吸引力和实用的方法，可以选择性地获得各种3-硫化喹喔啉-2（1H）-酮，并有良好的产量。此外，非均相催化剂可以很容易地循环使用6 次，同时保持其高催化活性。不过该反应在N2条件下或在黑暗中不能正常进行，这也为机理研究提供了基础。g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮磺化反应式如图4所示。

图4 g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮磺化反应

2023 年，何（He）等［20］人首次提出用g-C3N4/NaI 半非均相双催化喹喔啉-2（1H）-酮和芳基肼在蓝光照射下形成3-芳基喹喔啉-2（1H）-酮，该方法合成了多种多样的3-芳基喹喔啉-2（1H）-酮产品，产量高，官能团耐受性好。与上述g-C3N4光催化剂类似，在没有分子氧或光照条件下，所需的产品没有被检测出来。克级的反应产率为72%。用g-C3N4催化剂进行的循环实验表明，重复使用至少5次而不会有明显的催化活性损失。g-C3N4/NaI 半非均相双催化喹喔啉-2（1H）-酮和芳基肼反应式如图5所示。

图5 g-C3N4/NaI半非均相双催化喹喔啉-2（1H）-酮和芳基肼

2022年，余（Yu）［21］和他的同事以较低的煅烧温度和较短的煅烧时间直接从g-C3N4制备了钾改性氮化碳（K-CN），并将K-CN作为非均相光催化剂，以空气为氧化剂，在可见光照射下首次实现了喹喔啉-2（1H）-酮羟基烷基化反应，在研究了催化性能后，确定KCl 与LiCl 的摩尔比为0.56，煅烧时间为1.5 h，为最佳催化剂，并利用一系列表征手段比较了最佳催化剂与g-C3N4的差异。利用最佳反应条件，筛选出了一些底物，得到了中等到优秀的产量。值得注意的是，一元醇可以完成反应，而二元醇却不能得到相应的产物。循环实验表明，K-CN 催化剂中的钾离子不断流失。在加入两个当量的KF 后，在第二次回收试验中仍然获得了76%的产率，但不幸的是，在第三次运行中，所需产品的产量明显下降，这可能是由于钾离子的不断损失造成的。以K-CN 为非均相光催化剂，催化喹喔啉-2（1H）-羟基烷基化反应式如图6所示。

图6 以K-CN为非均相光催化剂，催化喹喔啉-2（1H）-羟基烷基化反应

2.2 共价有机框架（COF）作为非均相光催化剂

自2005年亚基（Yaghi）［22，23，24］及其同事首次报道以来，9 个共价有机框架（COFs）在合成、结构、基本特性、能量储存和催化应用方面受到了极大关注。COFs已经成为一类新的非均相光催化剂，因为它们具有高热和化学稳定性、大比表面积和优良的光学性能，可用于可见光驱动化学转化。与现有的均相光催化剂相比，它们具有易于催化剂回收的固有优势，这对连续化学的实际应用至关重要［25,26］。

2019 年，杨（Yang）［27］课题组报道以肼基二维共价有机框架（2D-COF-1）作为非均相光催化剂，在可见光驱动下实现了喹喔啉-2（1H）-酮与肼的芳基化和烷基化反应。由于2D-COF-1优良的光催化性能、良好的化学稳定性和异质性，该方法具有效率高、功能团耐受性好、易于扩展和可重复使用的催化剂等特点。重要的是，它为以更环保和可持续的方式快速获得各种C3 芳基化或烷基化喹喔啉-2（1H）-酮提供了一种替代方法。需要注意的是，该反应不能在氩气环境下进行，这意味着空气中氧气可能在当前的光催化循环中起到关键作用。光催化剂循环实验表明，2D-COF-1 在运行6 次后保持了高光催化活性。喹喔啉-2（1H）-酮的可见光驱动芳化和烷基化反应式如图7所示。

图7 喹喔啉-2（1H）-酮的可见光驱动芳化和烷基化

2021年，同样是 杨（Yang）小组［28］报道的一个可见光驱动的杂环的脱羧烷基化反应，包括喹喔啉-2（1H）-酮，由一个烯烃连接的共价有机框架（2D-COF-2）而不是常用的贵金属复合物和有机染料催化。在非均相反应条件下，各种烷基化的杂环被选择性地、高效地合成。2D-COF-2 依靠烯烃链的超级稳定性，在强酸性条件下保持其基本结构和光活性。此外，它在循环实验、生物活性分子的功能化和放大反应中的试验潜力已经得到证明。可见光驱动杂环脱羧烷基化反应的反应式如图8所示。

图8 可见光驱动杂环脱羧烷基化反应

2022 年，同样是杨（Yang）［29］和他的同事报告了一个可见光驱动的非均相催化三组分级联反应，即烯烃或炔烃、CF3SO2Na 和喹喔啉-2（1H）-酮。在这个反应中，二维亚胺连接的共价有机框架（2D-COF-5）被用作非均相光催化剂。以令人满意的产率制备了广泛的C3 三氟烷基和三氟烯基喹喔啉-2（1H）-酮衍生物。对2D-COF-5 的可再利用性进行的初步研究表明，在8 次回收过程中，其光催化性能、基本化学结构都得到了很好的保留。特别令人惊讶的是，由于反应条件温和，喹喔啉-2（1H）-酮与炔烃的反应具有很高Z/E 选择性。Z/E比高于10：1，显示出良好的Z选择性。喹喔啉-2（1H）-酮的可见光非均相光催化三组分反应的反应式如图9所示。

图9 喹喔啉-2（1H）-酮的可见光非均相光催化三组分反应

2.3 离子交换树脂作为非均相光催化剂

离子交换树脂催化剂因其成本低、不含金属成分、产品易净化、可回收和可重复使用等特点而备受关注［30-32］。2021年，张（Zhang）［33］研究小组展示了一种非均相合成方法，用于阳光催化的水中多组分转化，使用喹喔啉-2（1H）-酮作为反应物进行甲基酮的双功能化。在这种转化中，离子交换树脂（Amberlyst 15）因其可回收和重复使用而被用作多相催化剂。这种方法为中高产率合成各种双功能化α-酮提供了一条绿色和可持续的路线。应该注意的是，当使用不对称的脂肪族酮如2-戊酮作为起始材料时，会形成少量的产物4i。此外，加入曲拉通（Triton）X-100 作为表面活性剂后，芳香酮转化产物的产率较高，可能是由于表面活性剂增加了芳香酮的水溶性。转化完成后，混合物直接用乙酸乙酯提取，而含有催化剂的水相则通过直接加入起始材料来促进反应。循环实验表明，在第三个循环中观察到催化活性的明显损失。然而，用一种简单的清洗方法对已经重复使用过4次的催化系统进行再处理，可以使催化剂重新获得催化活性。光照诱导喹喔啉-2（1H）-酮的非均相光催化多组分反应的反应式如图10所示。

图10 光照诱导喹喔啉-2（1H）-酮的非均相光催化多组分反应

同年，同一个张（Zhang）［34］小组报告了一种可重复使用的磺酸离子交换树脂（Amberlyst 15）促进光催化的方法，并在水中进行反应得到烯化喹喔啉-2（1H）-酮。这种可回收水相反应是在较温和的条件下进行的，为生产含有3,4-二氢喹喔啉-2（1H）-酮骨架的各种（Z）-氨基酮提供了一条绿色和实用的途径。该方法成功地将异质曼尼希反应与光催化相结合。在反应结束时，通过用乙酸乙酯提取反应混合物，净化了含有产品的有机层。然后直接加入起始材料，用水相来催化转化。在第二次运行中观察到催化活性的轻微损失，在第三次和第四次运行中催化活性明显损失。对催化剂进行3次或4次的再处理，再生的催化剂具有更好的催化活性。喹喔啉-2（1H）-酮在水中烯醇化的反应式如图11所示。

图11 喹喔啉-2（1H）-酮在水中烯醇化

2022年，李（Li）小组［35］发表了与张（Zhang）［34］类似的反应方法，即在阳光促进下，可回收的离子交换树脂（Ambersep 900）催化水相中酮类与喹喔啉-2（1H）-酮的α-杂芳基化策略。特别是，在该反应中观察到良好的区域选择性，表明酮的α位为仲碳是活性部位。该方法能很好地适应底物，并合成各种α-杂芳基的酮类产品。催化系统的可回收性与张（Zhang）［34］以前的报道基本相似。Ambersep 900催化喹喔啉-2（1H）-酮α-异芳化的策略如图12所示。

图12 Ambersep 900催化喹喔啉-2（1H）-酮α-异芳化的策略

2.4 微球作为非均相光催化剂

2022年，余（Yu）和陈（Chen）［36］的研究小组使用溶剂热法，在不同的溶剂中合成一系列的硫化铟锌（ZnIn2S4）。在乙醇中制备的ZnIn2S4（ZIS-1）被表征为具有最高的光电流密度。使用ZIS-1 作为光催化剂，在空气中的456 nm蓝光下实现了N-杂环化合物（包括喹喔啉-2（1H）-酮、喹唑啉和2H-苯并［b］-［1,4］恶嗪-2-酮）直接C-H 偶氮化。更重要的是，ZIS-1 微球体光催化剂在催化过程中是稳定的，至少可以使用5 次而没有反应性的变化。N-杂环化合物直接C-H 偶氮化反应式如图13所示。

图13 N -杂环化合物直接C-H偶氮化

3 总结与展望

通过非均相光催化反应使喹喔啉-2（1H）-酮直接C-H 功能化是一种绿色可持续的化学反应，这种简单有效的方法已经引起了合成化学家越来越多的兴趣，并在药物化学和功能材料方面有了很大的应用前景。本文回顾近年来报道的通过不同的非均相光催化剂对喹喔啉-2（1H）-酮进行C-H 功能化非均相催化反应，展示了主要代表性底物，以便更深入和快速地了解这些反应，同时为进一步发展喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反应提供参考。

不过，喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反应还存在一些不足，如反应类型还非常单一、非均相光催化剂种类较少、未涉及不对称合成等。为了进一步发展喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反应，还需要从以下几个方面进行发展。第一，喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反应类型还非常单一，主要涉及C-C、C-N、C-S 和C-O 键的形成，特别是喹喔啉-2（1H）-酮的C3 位上的C-B/Si/P/RF/X/Se 键还没有完成，有望通过喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反应完成。第二，喹喔啉-2（1H）-酮非均相催化反应使用的非均相光催化剂种类相对较少且反应类型单一，还需进一步的研究，如金属催化剂、金属氧化物催化剂、复合催化剂、稀土催化剂、分子筛催化剂、生物催化剂、纳米催化剂等。第三，不对称合成一直是有机化学的研究课题，以喹喔啉-2（1H）-酮为底物完成不对称催化反应具有挑战性，通过喹喔啉-2（1H）-酮的非均相光催化反应引入手性中心是一条简洁的途径。

总之，我们希望本文的综述对该领域研究有所帮助。喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反应为制备各种功能化的喹喔啉-2（1H）-酮提供了一种原子上经济、环境友好和可持续的方法，在材料科学和药物化学方面具有广阔的应用前景。