【有机】铜(II)盐催化芳香碳-氢键与有机硼酸氧化偶联反应的机理

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与贵金属相比，铜盐更加丰富、廉价、易得、低毒，因此铜盐催化的芳香碳-氢键反应近年来引起了研究者的广泛关注。与不断报道的令人印象深刻的催化反应方法学研究相比，铜盐催化反应的机理仍然不甚清晰，人们对于催化反应中有机铜物种的结构也长期存疑。清华大学的王梅祥教授课题组致力于有机高价铜化学的研究，运用自己建立和发展的杂杯芳香烃大环化合物作为分子工具，他们成功合成了结构明确、性质稳定、反应活性好的芳基三价和芳基二价铜配合物（图1），并阐明了二价无机铜盐催化芳香碳-氢键铜化以及与离子型亲核试剂氧化交叉偶联反应中经历单芳基二价铜、单芳基三价铜化合物的机理（Chem. Commun., 2009, 45, 2899; J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 6326; J. Org. Chem., 2014, 79, 11139）。

图1. 结构明确的苯基二价和三价铜

2016年，该课题组研究发现，铜(II)盐能够高效地催化芳香碳-氢键与芳基硼酸、烯基硼酸和烷基硼酸发生氧化偶联反应，分别形成联苯、烯基苯和烷基苯产物（Org. Lett., 2016, 18, 5078）。为了探究反应的本质，他们与北京大学深圳研究生院的张欣豪和吴云东教授合作，针对铜催化芳香碳-氢化合物与芳基硼酸的反应，运用各种分析手段，通过对不同条件下反应的跟踪、有机与无机产物的结构确定及定量、芳基二价铜和三价铜参与的计量反应等一系列实验以及理论计算的方法，阐释了催化反应的机理（图2）。

图2. Cu(II)催化芳香碳-氢键与芳基硼酸氧化偶联反应的机理

反应机理指出，二价无机铜离子活化芳香碳-氢键生成单芳基二价铜中间体，芳基硼试剂与芳基二价铜发生转金属化反应形成双芳基二价铜中间体，该双芳基二价铜中间体进而与单芳基二价铜化合物发生氧化-还原反应，分别生成双芳基三价铜和单芳基一价铜中间体。前者发生还原消除反应生成联苯，后者质子解形成芳香烃原料，释放出的Cu(I)离子氧化生成Cu(II)离子进入催化循环。特别需要指出的是，在反应条件下，有机硼试剂不能向单芳基三价铜发生转金属化反应，催化中不经历单芳基三价铜中间体。理论计算发现，转金属化反应中单芳基三价铜比单芳基二价铜需要更高的畸变能，这可能是造成单芳基三价铜不利于与有机硼试剂发生转金属化反应的主要原因（图3）。同时，实验与理论的研究结果还排除了双芳基铜直接还原消除生成联苯和零价铜的反应过程。

图3. 不同价态芳基铜中间体发生转金属化反应能量的比较

该研究工作有助于人们深入理解铜催化的有机反应，特别是碳-氢键活化/官能化反应的机理，研究结果也进一步揭示了有机高价铜化合物的反应性质，丰富了有机铜化学。相关工作发表在J. Am. Chem. Soc. 上，清华大学化学系的博士生张乾、刘阳和龙超负责该工作的实验部分，北京大学深圳研究生院的博士生王婷负责该工作的计算部分。该项目得到国家自然科学基金、清华大学和北京大学深圳研究生院的资助。

该论文作者为：Qian Zhang, Yang Liu, Ting Wang, Xinhao Zhang, Chao Long, Yun-Dong Wu and Mei-Xiang Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Mechanistic Study on Cu(II)-Catalyzed Oxidative Cross-Coupling Reaction between Arenes and Boronic Acids under Aerobic Conditions

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 5579, DOI: 10.1021/jacs.8b01896

导师介绍

王梅祥

http://www.x-mol.com/university/faculty/12032

张欣豪

http://www.x-mol.com/university/faculty/17144

吴云东

http://www.x-mol.com/university/faculty/8701

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