余傳明，曾圣威，江金娥，林雯毓，鄧翠兒，李泳

（廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東湛江524088）

近年來(lái)，可見(jiàn)光催化技術(shù)迅速興起，已發(fā)展為一種新的有機(jī)合成模式[1-3]。該技術(shù)的原理雖復(fù)雜，但操作簡(jiǎn)單易行，通過(guò)光催化技術(shù)可以活化小分子化合物、構(gòu)筑非常規(guī)化學(xué)鍵、甚至用于開(kāi)發(fā)全新的化學(xué)反應(yīng)。傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)一般通過(guò)加熱驅(qū)動(dòng)，化學(xué)鍵的重構(gòu)主要是通過(guò)電子對(duì)（即雙電子）的轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)[4-5]。而在光催化反應(yīng)中，化學(xué)鍵的構(gòu)筑則主要通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移（SET）來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)光催化劑主要有過(guò)渡金屬的有機(jī)配合物[如銠(Ⅱ)或銥(Ⅲ)的聚吡啶配合物]和不含金屬的有機(jī)大分子增敏劑（如卟啉、酞箐等）。它們均具有良好的光學(xué)特性，如長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)壽命、強(qiáng)可見(jiàn)光吸收和較高的激發(fā)態(tài)氧化還原電位[3]。然而，貴金屬基配合物價(jià)格昂貴且環(huán)境不友好，常規(guī)的銠基或銥基配合物的氧化態(tài)過(guò)高且金屬與配體的取向單一，有機(jī)增敏劑則光穩(wěn)定性較差，這些缺陷與不足制約了它們?cè)谟袡C(jī)合成中的廣泛應(yīng)用。近期，有研究者利用預(yù)官能化的底物在銠基或銥基光催化劑的作用下，成功實(shí)現(xiàn)了底物的立體選擇性轉(zhuǎn)化[6]，這一成果為光催化的發(fā)展提供了新的方向。

到目前為止，研究者們始終都在致力于尋求一種具有高光學(xué)活性的催化劑。研究表明，第四周期的過(guò)渡金屬有望滿足這一要求[7]。如，將鎳(Ⅱ)鹽或其配合物與傳統(tǒng)銠基或銥基光催化劑復(fù)合使用，可對(duì)碳或氮進(jìn)行芳化、烯化或烷基化[8]。近期研究顯示，第四周期的銅在光催化領(lǐng)域同樣具有巨大的應(yīng)用潛力：銅鹽或銅配合物具有多種氧化還原特性，既可與有機(jī)質(zhì)直接反應(yīng)[9]，也可通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移引發(fā)其他反應(yīng)，甚至還可以與多齒配體結(jié)合形成均配型或雜配型配合物，以調(diào)節(jié)光活性，同時(shí)延長(zhǎng)激發(fā)態(tài)壽命[10-12]，圖1 所示為銅基催化劑的常用有機(jī)配體。鑒于銅基催化劑近年來(lái)在有機(jī)合成領(lǐng)域的迅速發(fā)展及廣闊的應(yīng)用前景，本文主要綜述其在可見(jiàn)光催化領(lǐng)域的起源及近年來(lái)的研究成果與進(jìn)展。

1 銅(Ⅰ)的獨(dú)立光催化

圖1 常見(jiàn)的銅基催化劑配體

Cu(Ⅰ)Ln配合物作為獨(dú)立的光催化劑，其機(jī)理一般如圖2 所示。可見(jiàn)光激發(fā)下，配合物Cu(Ⅰ)Ln將單電子轉(zhuǎn)移給電子受體（如鹵代烴R-X），產(chǎn)生自由基R 和Cu(Ⅱ)Ln瞬時(shí)中間體。其中自由基R 可被烯烴或炔烴捕獲并生成更多的新自由基R'·。中間體Cu(Ⅱ)Ln則會(huì)進(jìn)一步經(jīng)歷兩種歷程：①Cu(Ⅱ)Ln與親核基團(tuán)(Nu)發(fā)生配體交換，并將配體Nu 傳遞至自由基R·，完成偶聯(lián)并得到目標(biāo)產(chǎn)物R-Nu，即配體轉(zhuǎn)移機(jī)理。②Cu(Ⅱ)Ln與初代自由基R·結(jié)合生成高價(jià)R-Cu(Ⅲ)-Ln中間體[18]，并與親核性基團(tuán)Nu交換配體生成R-Cu(Ⅲ)L(n-1)-Nu中間體，再通過(guò)消去得到偶聯(lián)產(chǎn)物R-Nu，同時(shí)生成初始的Cu(Ⅰ)Ln催化劑，即自由基回彈機(jī)理。

1.1 烯烴的雙官能化

可見(jiàn)光催化產(chǎn)生的銅(Ⅱ)中間體可與多種官能團(tuán)形成配位，當(dāng)配體轉(zhuǎn)移至自由基時(shí)能極大地促進(jìn)ATRA 反應(yīng)的發(fā)生。如圖3 所示，2015 年，Reiser發(fā)現(xiàn)，未活化的烯烴在摩爾分?jǐn)?shù)為1%[Cu(dap)2Cl]催化下可與三氟甲磺酰氯（CF3SO2Cl）反應(yīng)，生成相應(yīng)的三氟甲基-氯磺?；a(chǎn)物[20]，而當(dāng)催化劑改為[Ru(bpy)3Cl]時(shí)，則會(huì)生成三氟甲基-氯化產(chǎn)物[21]，所得產(chǎn)物的不同表明，銅(Ⅰ)催化劑對(duì)于自由基及陰離子的生成具有不可代替的關(guān)鍵作用，該反應(yīng)有望廣泛應(yīng)用于制藥領(lǐng)域[19]。類(lèi)似地，銠基或銥基光催化劑難以催化苯乙烯發(fā)生碘代全氟烷基化反應(yīng)，但是[Cu(dap)2Cl]卻有很好的效果，主要是因?yàn)榈饽芎芎玫嘏cdap發(fā)生配體交換生成[CuⅡ(dap)ClⅠ]中間體[22]。2018 年，Yu 等[23]發(fā)現(xiàn)銅(Ⅱ)-氟配合物具有極佳的氟原子轉(zhuǎn)移能力，可有效地促進(jìn)烯烴的氟化-三氟甲基化。該反應(yīng)以氟化銫為氟源，S-(三氟甲基)二苯并噻吩嗡四氟硼酸鹽（Umemoto 試劑）為三氟甲基源，以Cu(OTf)2為催化劑，同時(shí)以2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉（浴銅靈，BC）和4,4'-二(甲氧基羰基)-2,2'-聯(lián)吡啶（bpydc）為助催化劑。其中，BC 能將銅(Ⅱ)還原為銅(Ⅰ)，而bpydc 因具有缺電子結(jié)構(gòu)，可以加速Cu(Ⅱ)LF 中間體的氟原子轉(zhuǎn)移。同年，F(xiàn)u等[24]還合成了一種類(lèi)似的雙銅配合物，在烯烴、親電試劑與三氟甲硫醇鹽的三組分體系中實(shí)現(xiàn)了烯烴的三氟甲硫化。反應(yīng)通過(guò)配位效應(yīng)首先生成CuI(BINAP)(SCF3)催化劑，在藍(lán)光激發(fā)下被烯烴捕獲電子生成烷基自由基，同時(shí)新生成的[CuII(BINAP)(SCF3)]2配合物能有效地將三氟甲硫基（ SCF3）轉(zhuǎn)移給烷基自由基而生成三氟甲硫醚。

上述反應(yīng)實(shí)例均可通過(guò)圖2所示的配體轉(zhuǎn)移或自由基回彈機(jī)理來(lái)解釋。近年，Xiao等[25]還報(bào)道了一種含環(huán)丁酮肟酯、苯乙烯和芳基硼酸的三組分交叉偶聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了自由基回彈機(jī)理。Cu(Ⅰ)(dtbbpy)在藍(lán)光激發(fā)下通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移生成氰烷基自由基，再與烯烴反應(yīng)生成新的中間體自由基。新生成的銅(Ⅱ)中間體與芳基硼酸通過(guò)金屬轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成芳基-銅(Ⅱ)中間體，并迅速捕獲第一步中的中間體自由基生成新的芳基-銅(Ⅲ)-烷基絡(luò)合物，最后經(jīng)還原消除得到偶聯(lián)產(chǎn)物，產(chǎn)率在68%。

1.2 碳-雜偶聯(lián)

圖2 銅（Ⅰ）配合物作為獨(dú)立光催化劑的機(jī)理示意圖

2012年，F(xiàn)u等[26]報(bào)道了一種基于銅-咔唑內(nèi)酯和芳基鹵化物的C—N 偶聯(lián)反應(yīng)，該反應(yīng)類(lèi)似于烏爾曼反應(yīng)，可由紫外光引發(fā)，同時(shí)，還從理論上揭示了利用該反應(yīng)進(jìn)行碳-雜偶聯(lián)的可行性[27]。2013年，F(xiàn)u 等首先以硫酚為親核試劑與碘代苯反應(yīng)，在CuI 催化下實(shí)現(xiàn)了C(sp2)-S 偶聯(lián)[28]。2014 年，作者進(jìn)一步以苯酚為親核試劑實(shí)現(xiàn)了C(sp2)-O 偶聯(lián)[29]。上述反應(yīng)均由紫外光驅(qū)動(dòng)，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的親核性銅基中間體，如[Cu(SPh)2]-、[Cu2(SPh)3]-、[Cu(OPh)2]-等對(duì)于反應(yīng)的發(fā)生具有關(guān)鍵作用。

圖3 銅(Ⅰ)絡(luò)合物作為獨(dú)立光催化劑的反應(yīng)［20-25］

進(jìn)一步地，F(xiàn)u 課題組通過(guò)配體設(shè)計(jì)將上述反應(yīng)拓展至可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理也由親核取代轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂苫〈?。基于此，提出了不?duì)稱(chēng)胺的合成新策略，如圖4 所示。2016 年，F(xiàn)u 等發(fā)現(xiàn)在Cu(I)/Nu/(S)-SITCP配合物(式中Nu為咔唑或吲哚)的存在下，外消旋的α-氯酰胺可與咔唑或吲哚發(fā)生對(duì)映C-N偶聯(lián)。其中Cu(Ⅰ)/Nu/(S)-SITCP配合物既是光催化劑，也是手性底物的誘導(dǎo)源[30-31]，利用手性膦配體(S)-SITCP 可控制產(chǎn)物構(gòu)型，原因在于反應(yīng)過(guò)程中生成了關(guān)鍵性的光活性中間體[銅(Ⅰ)-(SSITCP)2-咔唑內(nèi)酯]。為了拓展該反應(yīng)的普適性，制備了含有雙膦-咔唑內(nèi)酯配體的銅(Ⅰ)催化劑CuI(CbzdiphosiPr)[銅(Ⅰ)-(1,8-雙異丙基膦-3,6-二叔丁基-9-氫-咔唑)]，將其與CuBr 組合使用，實(shí)現(xiàn)了仲鹵代烴與氨基甲酸酯的C N 偶聯(lián)，且底物仲鹵代烴無(wú)需活化[32]，該策略若用傳統(tǒng)銠基或銥基催化劑來(lái)代替銅(Ⅰ)催化劑，目標(biāo)產(chǎn)物收率不足1%。

底物拓展實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)以脂肪族伯胺為氮源，可以克服這類(lèi)反應(yīng)中存在的底物空間位阻較大或過(guò)烷基化等問(wèn)題。2017 年，F(xiàn)u 等[33]用具有光活性的銅(Ⅰ)-聯(lián)萘酚鹽來(lái)介導(dǎo)伯胺與仲碘代烴之間的C-N 偶聯(lián)，在較溫和條件下高選擇性地合成了單烷基化的胺衍生物。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外消旋BINOL配體在反應(yīng)中十分關(guān)鍵：催化劑Cu(Ⅰ)/BINOL 絡(luò)合物在光激發(fā)下產(chǎn)生烷基自由基和高價(jià)Cu(Ⅱ)/BINOL中間體，該中間體與胺發(fā)生配體交換形成關(guān)鍵的銅(Ⅱ)-胺中間體，其與第一步中生成的烷基自由基結(jié)合，即可得偶聯(lián)產(chǎn)物。

與鹵代烴相比，羧酸是一種來(lái)源更廣泛、穩(wěn)定且低毒的化學(xué)品。N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯（NHPI）可通過(guò)SET還原脫羧成為一種理想的烷基源，因而被廣泛應(yīng)用于脫羧偶聯(lián)反應(yīng)[34]。基于上述原理的脫羧C—N 偶聯(lián)可用于替代柯提斯重排反應(yīng)來(lái)制備少一個(gè)碳的胺，該反應(yīng)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需使用大毒性的疊氮化鈉[35]。催化劑Cu(Ⅰ)/dmp/xantphos[xantphos 為4,5-雙(二苯基膦)-9,9-二甲基氧雜蒽]可見(jiàn)光激發(fā)，將單電子轉(zhuǎn)移至NHPI酯生成高價(jià)銅(Ⅱ)絡(luò)合物和NHPI 酯陰離子，這種酯陰離子不穩(wěn)定，易分解成烷基自由基、CO2和鄰苯二甲酰亞胺陰離子，胺陰離子迅速與銅(Ⅱ)絡(luò)合物結(jié)合后，繼續(xù)與烷基自由基重新結(jié)合，生成少一個(gè)碳的胺，同時(shí)生成初始銅(Ⅰ)催化劑。

圖4 可見(jiàn)光誘導(dǎo)的碳-氮偶聯(lián)［30-34］

1.3 原位光催化

與一般過(guò)渡金屬不同，銅(Ⅰ)能直接與含氮、氧、磷等的底物配位形成可見(jiàn)光響應(yīng)的銅(Ⅰ)絡(luò)合物，受激后通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移生成高價(jià)銅(Ⅱ)絡(luò)合物，從而參與合成反應(yīng)，如偶聯(lián)反應(yīng)、官能化反應(yīng)等，其歷程如圖5所示?；诖?，2015年，Hwang等[36]在苯胺、苯醌及苯乙炔的三組分體系中，實(shí)現(xiàn)了三者的區(qū)域選擇性偶聯(lián)，得到了雙官能化的吲哚化合物。在該反應(yīng)中，CuCl 與苯乙炔原位生成銅(Ⅰ)-炔化物后在藍(lán)光激發(fā)下引發(fā)反應(yīng)。銅(Ⅰ)-炔化物由于具有優(yōu)良的可見(jiàn)光響應(yīng)特性，因而也被廣泛應(yīng)用在其他的類(lèi)似反應(yīng)中，如肼基吡啶與末端炔烴之間的脫氮氧化C(sp2)-C(sp)偶聯(lián)[37]、苯胺與端炔的氧化C N偶聯(lián)[38]、2-氨基吡啶與端炔的氧化C N偶聯(lián)[39]、端炔的自身C(sp)-C(sp)偶聯(lián)[40-41]等。

2017 年，Hwang 等[42-43]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，苯酚與端炔在氧氣存在下可偶聯(lián)生成芳基酮產(chǎn)物。原位生成的銅(Ⅰ)-炔化物受光照激發(fā)，激發(fā)態(tài)電子被氧分子捕獲生成銅(Ⅱ)-炔化物和超氧負(fù)離子。苯酚被高價(jià)銅(Ⅱ)-炔化物氧化為苯醌后，繼續(xù)與銅(Ⅱ)-炔化物發(fā)生羰-烯[2+2]環(huán)加成反應(yīng)，隨后依次經(jīng)歷氧雜環(huán)丁烷開(kāi)環(huán)、過(guò)氧化、脫羧、酮-烯醇互變等歷程得到芳基酮產(chǎn)物，如圖6 所示。相應(yīng)地，在CuI、2-吡啶甲酸和氧氣的存在下，苯乙炔與脂肪醇偶聯(lián)會(huì)生成類(lèi)似的α-酮酸酯[44]。

圖5 銅(Ⅰ)的原位光催化反應(yīng)歷程

2019年，Hwang等[45]還報(bào)道了一種CuCl催化的N-烷基苯胺、端炔與伯醇的三組分偶聯(lián)反應(yīng)?？梢?jiàn)光照下，銅(Ⅰ)-炔化物將苯醌還原為相應(yīng)的陰離子，并誘導(dǎo)伯醇上的質(zhì)子氫發(fā)生轉(zhuǎn)移生成α-羥基自由基；同時(shí)生成的銅(Ⅱ)-炔化物與N-烷基苯胺在光照下通過(guò)配體-金屬電荷轉(zhuǎn)移生成氨基自由基陽(yáng)離子，兩者經(jīng)過(guò)自由基偶聯(lián)、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、消除水分子等過(guò)程得到一種顯正電性的亞胺類(lèi)物質(zhì)，最后被銅(Ⅰ)-炔化物捕獲而生成炔丙基胺。

圖6 基于端炔的氧化碳-碳偶聯(lián)制備芳基酮［42-45］

2017 年，Lalic 等[46]發(fā) 現(xiàn) 將CuCl 與三吡啶配體(tBu3-TERPY)結(jié)合可以調(diào)節(jié)銅(Ⅰ)-炔化物的光活性，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)端炔與碘代烷烴的C(sp)-C(sp3)偶聯(lián)。同年，Wu 等報(bào)道了一種新型C(sp3)-H 官能化技術(shù)，即用銅(Ⅱ)鹽與2-芳氨基醋酸鹽原位形成銅(I)中間體，在可見(jiàn)光激發(fā)下可促進(jìn)烯醇化合物的烷基化[47]。進(jìn)一步地，Liu 的研究[48]顯示原位形成的CuI(NCS)2-兼具光催化劑和Lewis 酸的雙重作用，激發(fā)態(tài)的CuI(NCS)2-*通過(guò)能量轉(zhuǎn)移可使乙烯基疊氮化物重排為氮丙啶中間體，并在同基態(tài)CuI(NCS)2-絡(luò)合后與硫氰化物反應(yīng)生成2-氨基噻唑衍生物。

2 銅(Ⅱ)的獨(dú)立光催化

1962 年，Kochi[49]首次發(fā)現(xiàn)Cu(Ⅱ)Cl2在紫外光照下會(huì)產(chǎn)生Cu(Ⅰ)Cl和氯自由基Cl·，揭開(kāi)了銅(Ⅱ)化合物光催化的序幕。一般地，銅(Ⅰ)配合物在光激發(fā)下易發(fā)生金屬向配體的電子遷移（MLCT），而銅(Ⅱ)配合物由于銅(Ⅱ)中心具有能量更低的空軌道，更傾向于發(fā)生配體向金屬的電子遷移（LMCT）[50-51]，從而氧化富電子化合物，可應(yīng)用于烯烴的官能化反應(yīng)中。研究者提出，可以將銅(Ⅱ)與合適的配體Z絡(luò)合使Cu(Ⅱ)LZ 配合物的響應(yīng)光紅移至可見(jiàn)光區(qū)，同時(shí)用新生成的配體自由基Z·引發(fā)其他反應(yīng)，其機(jī)理如圖7所示。

圖7 銅（Ⅱ）的可見(jiàn)光催化機(jī)理示意圖

基于上述機(jī)理，Reiser 等[52]以銅(Ⅱ)絡(luò)合物[Cu(dap)Cl2]為光催化劑，開(kāi)發(fā)了由苯乙烯、疊氮化物TMS-N3和氧氣共同制備疊氮基芳酮的策略，如圖8所示。銅(Ⅱ)絡(luò)合物通過(guò)與疊氮化物進(jìn)行配體交換，產(chǎn)生新的Cu(Ⅱ)L 疊氮橋連二聚體，在可見(jiàn)光誘導(dǎo)下生成Cu(Ⅰ)L 絡(luò)合物和疊氮自由基，后者相繼被烯烴和氧分子捕獲，生成氧中心自由基，再與Cu(Ⅰ)L絡(luò)合物通過(guò)自由基回彈機(jī)理生成疊氮基酮。

圖8 銅(Ⅱ)催化的烯烴氧化/疊氮化反應(yīng)及機(jī)理［52］

2018 年，Gong 等[53]以銅(Ⅱ)絡(luò)合物為光催化劑，利用三氟硼酸鹽對(duì)亞胺進(jìn)行烷基化修飾，并提出了雙循環(huán)機(jī)理。在第一循環(huán)中，手性銅(Ⅱ)-雙噁唑啉與三氟硼酸鹽交換配體后，于可見(jiàn)光誘導(dǎo)下均裂成銅(Ⅰ)絡(luò)合物和烷基自由基，后者被亞胺的雙鍵捕獲生成胺自由基后，接受前者轉(zhuǎn)移的單電子，轉(zhuǎn)化為胺負(fù)離子，同時(shí)會(huì)釋放出手性產(chǎn)物。同年，Reiser等[54]成功地將銅(Ⅱ)絡(luò)合物[Cu(dap)Cl2]應(yīng)用于烯烴與磺酰氯的ATRA反應(yīng)。根據(jù)Kochi理論，銅(Ⅱ)絡(luò)合物中的LCu(Ⅱ)-Cl 鍵在可見(jiàn)光誘導(dǎo)下發(fā)生均裂，產(chǎn)生Cu(Ⅰ)L 絡(luò)合物和氯自由基，前者在可見(jiàn)光誘導(dǎo)下可將磺酰氯還原為磺?；杂苫⒈幌N捕獲生成目標(biāo)產(chǎn)物。通過(guò)底物探索發(fā)現(xiàn)，未活化烯烴(如烯丙苯)與活化烯烴（如苯乙烯）相比，捕獲自由基能力較弱，因此反應(yīng)過(guò)程中須加入反應(yīng)當(dāng)量的Na2CO3以防止催化劑失活。此外，Yuan 等[55]還發(fā)現(xiàn)，將CuCl2與適當(dāng)溶劑（如乙腈或丙酮）混合可形成光活性物質(zhì)，在氧氣存在下，能將芐醇氧化為苯甲醛。

3 銅參與的協(xié)同光催化

銅具有良好的持續(xù)自由基效應(yīng)，光誘導(dǎo)催化過(guò)程中產(chǎn)生的自由基中間體能夠被金屬中心高效捕獲，由此生成的銅中間體具有很大的反應(yīng)潛力。近年來(lái)，許多研究者開(kāi)始將銅(Ⅰ)或銅(Ⅱ)鹽與傳統(tǒng)銠基或銥基光催化劑結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同催化，其反應(yīng)機(jī)理如圖9所示，包括以下歷程：①親電試劑在外源光催化劑（如銠基或銥基催化劑）誘導(dǎo)下通過(guò)單電子還原產(chǎn)生初始自由基R1·；②高價(jià)外源催化劑將銅(Ⅰ)絡(luò)合物氧化成銅(Ⅱ)絡(luò)合物Cu(Ⅱ)Ln；③Cu(Ⅱ)Ln與陰離子親核試劑發(fā)生配體交換產(chǎn)生Cu(Ⅱ)L(n-1)Nu 中間體；④Cu(Ⅱ)L(n-1)Nu 捕獲初始自由基R1·并生成高價(jià)瞬時(shí)中間體Cu(Ⅲ)R1L(n-1)Nu；⑤Cu(Ⅲ)R1L(n-1)Nu 通過(guò)還原消去產(chǎn)生偶聯(lián)產(chǎn)物和初始銅(Ⅰ)催化劑。銅具有較好的親碳性，可以形成多種銅-碳化合物，如銅-芳基物種和銅-烷基物種，基于此開(kāi)發(fā)的偶聯(lián)反應(yīng)可用于構(gòu)筑多種化學(xué)鍵，如C(sp2)-C(sp3)，C(sp2)-C(sp2)，C(sp3)-N(sp2)，C(sp3)-N(sp3)，C(sp3)-O，C(sp3)-C(sp)及C(sp3)-C(sp3)等。

2012年，Sanford等[56]以[Ru(bpy)3]Cl2·6H2O為外源光催化劑，以乙酸銅(Ⅰ)為成鍵催化劑，通過(guò)高價(jià)銅中間體Cu(Ⅲ)R1L(n-1)Nu 的還原消去實(shí)現(xiàn)了芳基硼酸和全氟烷基碘的C(sp2)-C(sp3)偶聯(lián)。2018 年，MacMillan等[57]以銥絡(luò)合物為主催化劑、銅鹽為助劑實(shí)現(xiàn)了芳基溴化物與三氟甲基試劑之間的C(sp2)-C(sp3)偶聯(lián)。同年，Glorius 等[58]也報(bào)道了類(lèi)似的高價(jià)銅(Ⅲ)中間體通過(guò)脫羧烯化來(lái)制備端位烯烴的反應(yīng)。

圖9 銅的協(xié)同催化機(jī)理示意圖

烷基胺是一種常見(jiàn)的有機(jī)合成中間體和生物活性分子，可通過(guò)含氮親核試劑與鹵代烴發(fā)生取代反應(yīng)制備得到，但是該法不適用于高級(jí)仲胺或叔胺。2018 年，Hu 等[59]開(kāi)發(fā)了一種由羧酸與含氮親核試劑發(fā)生C(sp3)-N(sp2)偶聯(lián)來(lái)制備烷基胺的策略。首先，羧酸酯在可見(jiàn)光誘導(dǎo)下被銠基催化劑活化、脫羧生成烷基自由基，二苯甲酮亞胺與銅(Ⅰ)配位后捕獲該自由基形成銅(Ⅱ)/烷基/二苯甲酮胺絡(luò)合物，被激發(fā)態(tài)銠催化劑氧化為高價(jià)銅(Ⅲ)中間體，最后通過(guò)還原消去得到高級(jí)胺化合物。進(jìn)一步地，作者還將底物胺拓展至苯胺和苯酚，分別實(shí)現(xiàn)了基于脫羧歷程的C(sp3)-N(sp3)偶聯(lián)[60]和C(sp3)-O 偶聯(lián)[61]。同年，MacMillan 等[62]基于上述歷程，實(shí)現(xiàn)了各種含氮親核試劑（如酰胺、磺胺、苯胺、含氮芳雜環(huán)化合物等）與伯、仲、叔烷基羧酸的原位偶聯(lián)反應(yīng)，得到了一系列高級(jí)胺化合物，進(jìn)一步拓展了該反應(yīng)的適用性。

在銅的協(xié)同催化體系中，與不同的配體絡(luò)合能讓銅具有不同的化學(xué)性質(zhì)和氧化還原能力。2017年，Lin 等[63]報(bào)道了在[Ir(ppy)3]與Cu(Ⅱ)(In-BOX)協(xié)同作用下，通過(guò)脫羧氰化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的C(sp3)-C(sp)偶聯(lián)。該方法產(chǎn)率高、具有優(yōu)異的對(duì)映選擇性，可用于對(duì)烯烴進(jìn)行烷基/氰基雙官能化[64]。但該策略需要先將羧酸轉(zhuǎn)化為其鄰苯二甲酰亞胺(NHPI)酯或形成原位碘鎓來(lái)進(jìn)行預(yù)活化，增加了反應(yīng)難度和經(jīng)濟(jì)成本。

近年來(lái)，研究者還發(fā)現(xiàn)，向光催化體系中加入銅鹽能形成高價(jià)銅(Ⅲ)/烷基/羧酸鹽復(fù)合物，通過(guò)脫羧、自由基重組及還原消去等歷程可得到偶聯(lián)產(chǎn)物。如，Liu 等[65]用α,β-不飽和羧酸與碘代二氟乙酸乙酯反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了烯烴的二氟乙?；疌(sp2)-C(sp3)偶聯(lián)。2018年，MacMillan等[66]也報(bào)道了類(lèi)似的脂肪族羧酸的脫羧三氟甲基化策略：游離羧酸與銅(Ⅱ)配位后被高價(jià)*IrⅢ氧化為銅(Ⅲ)羧酸鹽絡(luò)合物，隨著CO2的擠出和與初始烷基自由基的重新結(jié)合生成銅(Ⅲ)/烷基/羧酸鹽中間體，最后被IrⅡ還原為烷基-三氟甲基化產(chǎn)物，同時(shí)促使銅(Ⅱ)再生并進(jìn)入新的催化循環(huán)。

4 其他應(yīng)用

除了上述研究，銅基光催化劑也被廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成的其他領(lǐng)域。2017 年，Nicewicz 等[67]利用銅(Ⅱ)鹵鹽實(shí)現(xiàn)了不飽和羧酸的區(qū)域選擇性鹵化。2019年，Zhu等[68]利用銅的可見(jiàn)光催化實(shí)現(xiàn)了對(duì)N-烷氧基吡啶鎓鹽的端位C(sp3)-H 活化。底物在Ir(Ⅲ)催化下轉(zhuǎn)化為烷氧自由基，經(jīng)1,5-氫原子轉(zhuǎn)移形成碳中心的醇自由基，然后銅(Ⅱ)助催化劑通過(guò)轉(zhuǎn)移三甲基硅化合物中的相應(yīng)基團(tuán)（如疊氮基、氰基、異硫氰基等）的端位碳進(jìn)行官能化，可得到各種δ-官能化的醇。

2012年，Rueping等[69]基于[Ru(bpy)3](PF6)2和[Cu(MeCN)4]PF6的復(fù)合催化體系開(kāi)發(fā)了四氫異喹啉的炔基化反應(yīng)，銅絡(luò)合物通過(guò)與端炔結(jié)合形成活性銅-炔中間體，并將炔基轉(zhuǎn)移至四氫異喹啉的碳活性中心制得了四氫異喹啉炔化物。2015年，Li等[70]使用手性Cu-QUINAP 復(fù)合物開(kāi)發(fā)出了不對(duì)稱(chēng)合成策略：銅復(fù)合物通過(guò)與端炔結(jié)合形成銅/QUINAP/乙炔絡(luò)合物后，與亞胺鎓中間體反應(yīng)生成了具有優(yōu)異對(duì)映選擇性的1-炔基四氫異喹啉衍生物。同年，Wu等[71]以Cu(OTf)2為助催化劑，β-酮酸酯為親核試劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)類(lèi)似C(sp3)-H 的β-酮酯化修飾。次年，F(xiàn)u等[72]在[Ru(bpy)3]Cl2與CuI的復(fù)合體系中，利用氨基酸的NHPI-酯與端炔通過(guò)脫羧反應(yīng)也制備了類(lèi)似的炔胺化合物。

2015 年，Kobayashi 等[73]利用銅復(fù)合催化體系開(kāi)發(fā)了基于缺電子芳基硼酸與苯胺的Chan-Lam 偶聯(lián)反應(yīng)。底物銅(Ⅱ)與苯胺交換配體后與硼酸酯反應(yīng)生成有機(jī)銅(Ⅱ)-胺中間體，再被高價(jià)Ir(Ⅳ)氧化成銅(Ⅲ)中間體后通過(guò)還原消去得到偶聯(lián)產(chǎn)物。2017 年，Tao 等[74]利 用[Ru(bpy)3]Cl2/CuBr 的 雙 催 化體系對(duì)伯胺進(jìn)行有氧氧化得到了腈化物。同年，Wu 等[75]在氧化劑存在下，以醋酸銅為催化劑，在可見(jiàn)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)了對(duì)萘酰胺的C4-磺?；?。

銅作為過(guò)渡金屬，其離子或配合物中心由于具有空軌道，是一種典型的路易斯酸，因此，可以活化富電子化合物。如Guo 等[76]將銅(Ⅱ)與中位炔烴結(jié)合形成了局部三中心雙電子體系，并被外源光催化劑氧化為三中心單電子結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)分子內(nèi)烯烴環(huán)化制得了菲衍生物。

此外，Xia等[77]還利用銅(Ⅱ)鹽在較溫和條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)芳香族烯胺的分子內(nèi)氧化環(huán)化，制得了多取代喹啉。Bode 等[78]利用Cu(OTf)2作為路易斯酸來(lái)降低底物亞胺的氧化電位，使得硅烷基胺可與羰基化合物在可見(jiàn)光誘導(dǎo)下反應(yīng)，生成多種氮雜環(huán)化合物。Yoon等[79]利用Cu(TFA)2的可見(jiàn)光介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)烯胺的分子內(nèi)氧化/胺化。

5 結(jié)語(yǔ)

與其他可見(jiàn)光催化劑相比，銅基催化劑是一種綠色環(huán)保、廉價(jià)易得、高效且極富吸引力的催化劑，既能在可見(jiàn)光誘導(dǎo)下躍遷至激發(fā)態(tài)，通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移活化底物直接引發(fā)反應(yīng)；也能與其他光催化劑復(fù)合，通過(guò)捕獲光催化過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)自由基中間體，誘導(dǎo)基于碳活性中心的偶聯(lián)反應(yīng)。已在烯烴的雙官能化、C—C偶聯(lián)、C—N偶聯(lián)、C—O偶聯(lián)等方面取得了較為廣泛的應(yīng)用。盡管如此，銅的可見(jiàn)光催化仍面臨著一些挑戰(zhàn)，如從銅(Ⅱ)到銅(Ⅰ)或從銅(Ⅰ)到銅(0)轉(zhuǎn)化過(guò)程中銅催化劑的氧化能力尚需更深入的研究，同時(shí)也需要更多的反應(yīng)加以驗(yàn)證；需要繼續(xù)拓展銅(Ⅱ)催化劑的反應(yīng)適用性；需要設(shè)計(jì)更合適的配體提高激發(fā)態(tài)壽命從而提升催化效率；需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)銅基催化劑在不對(duì)稱(chēng)合成中的應(yīng)用以提高其在藥物合成領(lǐng)域中的應(yīng)用。相信在不久的將來(lái)，這種極富潛力的銅基配合物將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)有機(jī)合成模式帶來(lái)不小的沖擊，并有望在材料科學(xué)和藥物合成等諸多領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。