[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF6：一种通用且广泛适用的铜基光氧化还原催化剂

摘要

本文提供了[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆（一种通用的铜基光氧化还原催化剂）的合成详细通法，以及该催化剂在合成化学中的应用方法，包括用于（杂）芳烃C-H键的直接芳基化反应和有机卤化物的自由基环化反应。

摘要

我们课题组近期报道了[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆作为一种通用的铜基光氧化还原催化剂，该催化剂能够高效促进多种有机卤化物（包括未活化的卤化物）的活化。这些活化后的中间体可进一步参与多种自由基转化反应，例如还原反应和环化反应，以及多种（杂）芳烃的直接芳基化反应。这些转化方法为合成化学中有价值的小分子以及具有生物活性的天然产物提供了简便的合成途径。总体而言，[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆是一种操作简便的光氧化还原催化剂，相较于目前最先进的铱基和钌基光氧化还原催化剂，它具有成本低、性能互补等优势，是一种极具吸引力的替代选择。本文中，我们报道了[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆的详细合成步骤，以及其核磁共振（NMR）和光谱表征方法，并展示了其在（杂）芳烃直接芳基化反应和有机卤化物自由基环化反应中的应用实例。具体包括：N-甲基吡咯与4-碘苯甲腈的直接芳基化反应生成 4-(1-甲基-1H-吡咯-2-基)苯甲腈，以及N-苯甲酰基-N-[(2-碘喹啉-3-基)甲基]氰胺的自由基环化反应合成天然产物芦丁宁A（luotonin A）的详细过程。此外，本文还简要讨论了该铜基光氧化还原催化剂的适用范围与局限性。

引言

多年来，人们已知自由基转化能够为合成化学提供极为高效的反应途径，这些途径通常与基于阳离子、阴离子或周环过程的反应互为补充¹。尽管基于自由基的化学反应在多种类型的转化中展现出巨大潜力，但长期以来其应用却相对有限，主要原因是需要使用高毒性的试剂，这显著限制了其吸引力。此外，自由基反应长期以来被认为在区域选择性和/或立体选择性控制方面效果较差，或容易导致严重的二聚化和/或聚合问题。

近年来，为了促进自由基物种的生成并更好地控制其反应活性，已开发出多种替代策略。其中，光氧化还原催化已成为最强大的方法之一，该方法利用光响应化合物（即光氧化还原催化剂）在可见光照射下便捷地生成自由基物种^2,3。可见光本身能够促进光氧化还原催化剂跃迁至激发态，使其相较于基态具有更强的还原性和氧化性。这些增强的氧化还原特性使得单电子转移过程在激发态下可在温和条件下发生，而这些过程在基态下是难以实现的。在过去的十年中，可见光光氧化还原催化已成为有机合成中一种极具吸引力且高效的技术，推动了大量基于自由基中间体的转化反应的发展，这些反应具有高效性、高选择性，并在可持续、温和且操作简便的条件下进行。

尽管迄今为止报道的大多数光氧化还原过程主要依赖于基于铱和钌的光氧化还原催化剂，以及一些有机染料如吡喃....

方案

1. [(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆ 的合成

1. 在装有磁力搅拌子的 2 L 圆底烧瓶中加入 3.73 g（10.00 mmol）四(乙腈)合铜(I)六氟磷酸盐和 5.39 g（10.00 mmol）DPEPhos。
2. 将圆底烧瓶连接三颈真空接头，该接头同时连接真空管线和氩气管线。
3. 在真空下抽换烧瓶内气体，并用氩气回填三次。随后将三颈真空接头更换为橡胶隔垫。
   注意：该反应可在空气中进行，但效率略有降低（详见讨论部分）。
4. 加入 800 mL 干燥的二氯甲烷。
   注意：二氯甲烷为从 CaH₂ 新鲜蒸馏所得。该反应也可在普通二氯甲烷（99.8%）中进行，效率相似（详见讨论部分）。
5. 在氩气氛围下，于室温（23–25 ºC）避光（用铝箔包裹反应瓶）搅拌反应混合物 2 小时 。
6. 在装有磁力搅拌子的 500 mL 圆底烧瓶中加入 3.60 g（10.00 mmol）bcp。
7. 将圆底烧瓶连接三颈真空接头，该接头同时连接真空管线和氩气管线。
8. 在真空下抽换烧瓶内气体，并用氩气回填三次。随后将三颈真空接头更换为橡胶隔垫。
9. 加入 200 mL 干燥的二氯甲烷，轻轻搅拌悬浮液，直至 bcp 完全溶解。
10. 使用套管将二氯甲烷中的 bcp 溶液加入上述反应混合物中。
....

结果

[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆ 的合成
如上一节所述实验方案所示，[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆ 的合成操作尤为简便，可轻松实现多克级规模制备。¹H 和 ¹³C NMR 谱图表明生成了纯的配合物（图 4A,B）。光谱数据与先前报道的结果一致³¹。

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ (ppm)：7.83 (s, 2H)，7.60–7.47 (m, 12H)，7.40–7.32 (m, 2H)，7.29–7.17 (m, 8H)，7.11–6.94 (m, 18H)，2.52 (s, 6H)。¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ (ppm)：158.5，150.3，144.......

讨论

[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆的合成₆
[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆的合成₆ 通常使用干燥的二氯甲烷（使用前经蒸馏）并在氩气氛围下进行，以确保获得最高的产率、纯度以及良好的可重复性。如实验方案中所述，[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF₆的合成₆ 可使用普通二氯甲烷（99.8%）和/或在空气氛围下进行，反应效率有所不同。事实上，在氩气氛围下使用普通二氯甲烷时，反应效率相同（产率为89%）；而在空气氛围下使用蒸馏过的二氯甲烷时，目标配合物的产率为75%。最后，在空气氛围下使用未蒸馏的二氯甲烷进行反应，所得目标配合物的纯度明显较低（约70%，据估算） ¹使用内标法进行氢核磁共振（¹H NMR）分析）。因此可以得出结论：只要反应在氩气氛围下进行，所用二氯甲烷的品质对反应效率（高收率和高纯度）影响不大。然而，不建议在空气氛围下进行该反应，因为这会导致目标配合物的生成效率降低，更重要的是，当使用未蒸馏的二氯甲烷时，产物纯度显著下降。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
材料
浴铜灵（bcp）	Acros	161340010
乙腈，99.9+	Acros	326811000
Celite 545	Acros	349670025
双[(2-二苯基膦)苯基]醚（DPEphos）	Acros	383370050
氢化钙	Acros	C/1620/48
二氯甲烷，99.8%	Fisher Chemical	D/1852/25
二乙醚，>= 99%	Fisher Chemical	D/2400/MS21
乙酸乙酯	Fisher Chemical	E/0900/25
N-甲基吡咯，99%	Sigma Aldrich	M78801
4-碘苯甲腈，98%	Combi-Blocks	OR-3151
石油醚（40-60 °）	Fisher Chemical	P/1760/25
无水碳酸钾	Fisher Chemical	P/4120/60
四乙腈合铜(I)六氟磷酸盐，97%	Sigma Aldrich	346276
设备
1H 和 13C 核磁共振波谱仪	Bruker	Avance 300 Spectrometer
1H 和 13C 核磁共振波谱仪	Varian	VNMRS 400 Spectrometer
420 nm 光管	Luzchem	LZC-420
蓝色LED灯	Kessil	H150-Blue
蓝色LED灯带	Eglo	92065
光化学装置 PhotoRedOx Box	Hepatochem	HCK1006-01-016
光反应器	Luzchem	CCP-4V
荧光分光光度计	Shimadzu	RF-5301PC
紫外/可见光分光光度计	Perkin Elmer	Lambda 40