论文总字数：22572字

摘 要

交叉偶联是有机合成化学领域的难点之一。在传统催化的交叉偶联反应中，反应一般为亲电试剂与亲核试剂在过渡金属试剂催化下，实现交叉偶联。亲核试剂一般为对空气、水敏感的有机金属试剂。两分子亲电试剂在过渡金属催化剂的存在下，实现还原交叉偶联时，普遍要用到金属单质还原剂，金属还原剂的使用对环境不友好且存在一定局限性。

为此，我们研究了一种新型的可见光/镍协同催化的还原交叉偶联反应，筛选了其最优反应条件。通过两种亲电试剂芳基烯烃卤和苄基卤在过渡金属镍试剂Ni(COD)₂的催化下，实现交叉偶联，最后通过可见光催化剂2,4,5,6-四(9-咔唑基)-间苯二腈还原镍，得到较高收率的偶联产物（最高75 %），并用¹H NMR和¹³C NMR对相应产物结构进行表征，完成对环境的友好性，同时在成本上更加低廉，操作也更安全方便。

关键词：还原交叉偶联 卤代芳烃 可见光/镍 协同催化 有机合成方法

Nickel/Photoredox-Catalyzed Reductive Cross-Coupling

Abstract

Cross coupling is one of the difficulties in the field of organic synthesis chemistry. In the traditional catalytic cross coupling reaction, the reaction is generally the cross coupling of electrophilic reagent and nucleophilic reagent under the catalysis of transition metal reagent. Nucleophiles are generally organometallic reagents sensitive to air and water. In the presence of transition metal catalysts, the use of bimolecular electrophilic reagents is generally used in the reduction cross coupling. The use of metal reductants is not environmentally friendly and has certain limitations.

For this reason, we have studied a new type of visible light / nickel cooperative catalytic reduction cross coupling reaction, and selected the optimal reaction conditions. Two electrophilic reagents, aryl alkene halide and benzyl halide, are used to realize cross coupling under the catalysis of transition metal nickel reagent Ni (COD) 2. Finally, visible light catalyst 2,4,5 is used, 6-tetra (9-carbazol) - resorcinol reduced nickel to obtain coupling products with high yield (up to 75%), and characterized by 1H NMR and 13C NMR to achieve environmental friendliness. At the same time, it is cheaper in cost and safer and more convenient in operation.

Keywords: ReductiveCross-Coupling；Aryl Halides；Nickel/Photoredox；Synergetic Catalysis；Organic Synthesis Method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

前言 1

1.1传统还原交叉偶联反应体系 1

1.1.1电化学还原体系 2

1.1.2金属单质还原体系 2

1.2新型还原交叉偶联反应体系 3

1.3选题的目的、意义和研究内容 4

1.3.1选题的目的及意义 4

1.3.2选题的研究内容 5

第二章 实验部分 6

2.1试剂和仪器 6

2.1.1试剂 6

2.1.2仪器 8

2.2实验步骤 8

2.2.1镍催化剂的筛选 8

2.2.2光催化剂的筛选 10

第三章 结果与讨论 11

3.1镍催化筛选的结果 11

3.2光催化剂筛选的结果 11

3.3产物的收率及图谱 13

3.4底物拓展 15

3.5展望 16

参考文献 18

致 谢 23

第一章 文献综述

前言

交叉偶联反应是一种在催化剂的作用下，两种有机化合物间形成C-C键的反应，具有反应条件温和、选择性好、反应效率高等优点，在活性药物、天然产物、精细化学品、农业化学品合成中具有极为广泛的应用。其中，由过渡金属催化的交叉偶联反应，仍是有机化学领域在21世纪的重要研究方向之一，催化C-C键的构建在有机合成的方法学中一直是关注的热点，也是十分重要的有机合成手段，利用C-C键能够以多种较为简单的结构为母体合成更复杂的有机分子，极大的促进含碳化合物的构建。从广义上讲，在发现交叉偶联反应作为一个概念之后，交叉偶联化学的发展可以考虑为三个时期：1.研究能够以选择性方式促进这些转变的金属催化剂；2.扩大偶联的范围；3.通过配体变化不断改善和扩展每种反应类型，从而适应更大的底物范围反应优化和微调。目前，以Kumada、Negishi、Suzuki和Hiyama反应为代表^[1]的经典交叉偶联反应中，一般均是亲电试剂和亲核试剂的反应，其中亲电试剂一般为卤化物，亲核试剂一般为有机金属试剂，例如：格式试剂、有机锌试剂、有机硼试剂和有机硅试剂，在过渡金属/配体的催化下，实现交叉偶联反应。但此方法的缺点是亲核试剂对空气和水较为敏感，价格昂贵且不易保存。

考虑到协同催化是一种多种催化剂同时激活两种不同底物，以促进单一化学转化的合成策略^[2,3]。通过不同催化体系的组合，可以有效地降低反应物之间的反应势垒，提高反应效率^[4,5]。协同共催化策略避免了单一催化剂体系的缺点，如需要预活化底物，以及高活性底物的苛刻反应条件。它具有高效、经济、绿色、操作简单等优点，在复杂分子结构构建和天然产物合成中显示出巨大的潜力和应用价值^[6-9]。 为了避免使用有机金属试剂，还原剂与过渡金属协同催化的还原交叉偶联应运而生：两种亲电试剂在过渡金属的催化下直接进行还原交叉偶联反应，从而构建C-C键^[10]。其中用当量的还原剂原过渡金属，从而使得催化体系得以循环，但此方法中的还原剂多为金属锰粉或锌粉，这种方法虽然解决了反应试剂昂贵且不稳定的问题，使得反应条件更温和且成本更低廉，但此方法为两相反应，反应完成后生成了当量的金属废弃物，对环境造成了一定的污染。

基于此，本实验采用光催化剂作为还原剂，使用过渡金属镍作为过渡金属催化剂，进行协同催化，从而实现对环境更友好的亲电试剂间的直接交叉偶联反应。

1.1传统还原交叉偶联反应体系

还原交叉偶联反应通常采用过渡金属Co、Pd、Ni作为金属催化剂，通过过渡金属提供电子，形成反应中间体，再将过渡金属离子还原，从而实现反应。传统的还原体系一般有金属单质还原体系和电化学还原体系^[11]。

1.1.1电化学还原体系

Gosmini课题组在2001年采用CoCl₂催化，使得功能化卤代芳烃成功与4-氯喹啉反应，制得4-苯基喹啉，最后通过铁电极还原Co(III),使整个反应顺利进行^[12]。2002年又在此基础上，发展为两种功能化芳基卤化物合成联芳基化合物反应中^[13]。2003年又进一步拓展，将卤代喹啉、噻吩作为底物来得到对应的烯丙基化产物^[14]。同年又用该体系使得醋酸乙烯酯与卤代芳烃顺利发生反应得到偶联产物^[15]。

1.1.2金属单质还原体系

Gosmini课题组在2003年在采用电化学还原体系的基础上，利用单质Mn、Zn的还原性，替代电化学还原Co催化剂的方法，使得卤代芳烃与乙酸烯丙酯成功发生偶联反应，无论苯环上连有的是吸电子基或是给电子基，均有良好产率^[16]。2004年该课题组又用类似的条件尝试发展了功能化卤代芳烃与乙酸酐的反应，也得到了较高产率^[17]。2008年，发表在CoBr₂催化下，单质Mn作还原剂，成功使得两种芳基亲电试剂合成为联芳基化合物，并且在50 ℃下就能进行。同时，用卤代喹啉、噻吩替代卤代苯，也能得到较高产率的偶联产物^[18]。同年，使用Zn粉作还原剂，在室温下使得功能化卤代芳烃与苄基卤代物发生偶联反应，得到较高产率的偶联产物^[19]。2009年，尝试使用杂原子芳基卤化物来进行偶联反应，也得到了产率较高的偶联产物^[20]。2010年，用相同条件，将嘧啶甲基硫醚与卤代芳烃进行偶联，得到C-C-偶联产物^[21]。同年，又用Mn作为还原剂，将功能化卤代芳烃与烷基卤代物顺利偶联^[22]。2011年，用类似条件，将烷基卤代物和醋酸烯丙酯顺利偶联^[23]。2012年，成功将该反应体系应用到溴代苯乙烯和卤代芳烃的偶联反应^[24]。2016年，在室温下，将该催化体系应用于苄基卤代物与溴代苯乙烯的偶联反应^[25]。

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