【有机】Magnus Rueping课题组：可见光/铜纳米团簇催化芳基氯化物的C-N键偶联反应

通过对催化剂进行改进或者发展新型催化剂，从而实现在较温和的条件构建化学键，具有重要意义。近年来，利用可见光催化反应由于其条件温和，是传统过渡金属催化反应的重要替代策略。在这其中，光/铜共催化的合成转化作为一种廉价且高效的合成方法受到广泛关注。然而，此类反应通常仅限于芳基碘化物或活化的芳基溴化物参与反应。因此，发展一种可在温和反应条件下实现活化芳基氯化物的C-N偶联反应体系具有重要的意义。

近年来，纳米材料（金属纳米颗粒）已成为反应中一种有效的催化剂。超小原子级精密纳米团簇（NCs，<3 nm）是一种直径介于原子和等离子体纳米粒子之间的纳米粒子，并且可以精确地确定NC中原子的数量和具体位置。由于其具有较高的比表面积和不饱和活性位点，因此被认为是最有前途的催化剂之一。基于C-N键偶联反应的重要性和传统C-N键构建的方法（Scheme 1a）以及Fu小组开创性的光介导铜催化C-N键偶联反应工作（Scheme 1b），最近，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Osman M. Bakr和Magnus Rueping课题组报道了首例在光诱导下，利用铜纳米团簇[Cu₆₁(S^tBu)₂₆S₆Cl₆H₁₄]（Cu₆₁NC）催化，在室温下实现芳基氯化物的C-N键偶联反应。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c02218上（Scheme 1c）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

首先，作者以咔唑1a与对溴苯腈2a作为模板底物进行条件筛选（Table 1）。发现当以Cu₆₁NC（0.1 mol%）作为催化剂，K₃PO₄作为碱，乙腈为溶剂，蓝光照射下34 ℃反应24小时，可以88%的分离产率得到相应的C-N键偶联产物3a（Table 1，entry 1）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

随后，作者尝试对此合成方法的底物范围进行探索（Table 2）。首先作者对芳基卤化物2的底物适应性进行尝试，实验结果表明反应具有较好的底物适应性，并且其可以兼容诸如羰基、三氟甲基、磺酰基、氰基等多样官能团，表明此转化具有较好的官能团兼容性。除此之外，反应对一系列不同取代的芳基溴化物、杂芳基溴化物和杂芳基氯化物同样具有较好的底物适应性。值得注意的是，当使用4-氯-1-溴苯2f作为反应底物时，C-N偶联过程主要在溴原子的位置发生。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

随后，作者尝试对氮杂环化合物1的底物范围进行探索（Table 3）。实验结果表明反应具有较好的底物适应性和官能团兼容性。值得注意的是，底物可以兼容卤原子（I，Br），这为产物的后续衍生化提供了众多机会。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

为了深入探索反应机理，作者进行了一系列控制实验（Scheme 2）。首先，作者利用自由基捕获实验（Scheme S8）以及自由基钟实验（Scheme 2a）表明反应中包含自由基反应途径。随后，作者利用竞争实验表明反应涉及SET的协同氧化加成过程（Scheme 2b, 2c）。最后，当使用合成出的Cu₆₁NC-cbz络合物A进行催化反应（Schemes 2d）或计量反应（Schemes 2e）时，均可实现产物3a的合成。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

此外，作者还通过紫外、激发、光致发光（PL）和循环伏安法（CV）等相关光物理研究实验进一步确定反应为SET过程（Figures 2, 3）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者提出了此反应可能的反应机理（Scheme 3）。反应首先形成CuNC-胺络合物A，随后其在蓝光激发下形成光激发态中间体B，接着B与芳基卤化物经历SET过程形成Cu₆₁NC-Nu络合物C、芳基自由基和卤负离子。最后，芳基自由基进攻Cu₆₁NC-Nu络合物C，并通过自由基-自由基偶联路径或者还原消除路径以得到C-N键偶联产物3，并再生铜纳米团簇催化剂，从而完成催化循环。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：

阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Osman M. Bakr和Magnus Rueping课题组发展了首例可见光诱导、铜纳米团簇催化的Ullmann类型的C-N键偶联反应。此反应条件温和，在室温下即可进行，并展示出较好的官能团耐受性和底物兼容性。此外，控制实验表明反应涉及单电子转移过程。此反应的发展将CuNC引入到光催化剂的“家族”中，为可见光催化反应拓宽了范围。

论文信息：

Visible-Light Copper Nanocluster Catalysis for the C−N Coupling of

Aryl Chlorides at Room Temperature

Arunachalam Sagadevan,^‡ Atanu Ghosh,^‡ Partha Maity, Omar F. Mohammed, Osman M. Bakr,* and Magnus Rueping*

J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.2c02218

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。