烷基芳基醚广泛存在于天然产物、农用化学品和药物分子中, 其合成方法的研究一直是有机化学中十分重要的领域^[1]. Williamson反应、Mitsunobu反应和芳环上的亲核取代反应是合成烷基芳基醚类化合物的常用方法. 由于底物来源广泛, 钯、铜催化的芳基亲电试剂与醇的C—O偶联反应是合成烷基芳基醚类化合物的另一类重要方法^[2]. 然而, 此类C—O键偶联反应通常需要使用无机强碱或金属醇盐, 从而导致实验操作复杂、底物范围受限等问题. 近期, Buchwald课题组使用有机胺取代传统无机强碱或金属醇盐实现了相关的C—N偶联反应, 这些工作为解决上述问题提供了新的研究思路^[3].

2018年, Stradiotto课题组^[4]报道了镍催化芳基亲电试剂与醇的C—O偶联反应(Scheme 1A). 使用富电子的二膦配体-Ni(II)络合物作为催化剂, 在加热的条件下实现了芳基亲电试剂与醇的偶联反应, 可用来合成多种芳基醚类化合物. 然而, 此反应使用金属醇盐作碱, 导致对碱敏感的底物不适用于该催化剂体系, 限制了其潜在的应用. 20015年, MacMillan课题组^[5]报道了光/镍协同催化实现溴代芳烃与醇的C—O键偶联反应(Scheme 1B). 机理的研究表明: 光敏剂通过调控活性镍(II)物种的价态, 促进还原消除步骤的进行, 实现镍催化剂的循环. 光镍协同催化体系为C—O键偶联反应的发展提供了全新的研究思路. 但也存在底物范围仅限于(杂)芳基溴化物, 需要使用昂贵的铱光敏剂和不溶性无机碱等问题. 受文献报道和作者课题组前期工作的启发^[6], 陕西师范大学化学化工学院薛东团队设想, 是否可以使用温和、可溶性的胺作为碱, 镍作为催化剂, 实现醇类与亲电试剂(尤其是廉价和来源丰富的芳基氯化物)的C—O偶联反应, 实现烷基芳基醚的高效合成. 基于该设想, 他们^[7]最近成功实现了以Ni(II)-芳基配合物作为催化剂, 有机胺作为碱, 无需外加光敏剂, 光促进芳基亲电试剂与醇的C—O偶联反应(Scheme 1C).

图式1  Ni催化芳基亲电试剂与醇的C—O键偶联反应

        该反应具有优秀的官能团耐受性和广泛的底物适用性(Scheme 2). 不仅适用于活性较高的溴代芳烃, 同时也适用于活性较低的氯代芳烃以及磺酸酯等底物, 尤其是对于一些重要的杂环底物,也能够以较好的反应收率得到目标产物, 同时, 分子内C—O偶联也能够实现, 进一步证明了该方法学在复杂分子合成中的巨大潜力.

图式2  底物范围考察

作者通过一系列的机理研究实验, 提出了一种可能的反应机制(Scheme3). 首先, 在紫光(3900～395 nm)照射下, 激发态的镍催化剂A发生碳-镍键断裂, 生成活性Ni(I)物种和芳基自由基. 紧接着, Ni(I)物种与芳基卤化物发生氧化加成生成Ni(III)-Ar中间体, 然后与醇进行配体交换, 经还原消除生成C—O键偶联产物芳基醚和Ni(I)物种. 此外, 连续光照对于反应至关重要, 可能由于惰性的Ni(II)催化剂需要在光照条件下转化为活性Ni(I)物种, 才能继续参与反应循环.

insertlocalimg" src="http://www.91shimoxi.com/storage/7923/article/20210106/1609899511126108..jpeg" style="text-align: center;"/>

图式3  可能的反应机理

综上所述, 薛东课题组实现了高效的光促进镍催化C—O键偶联反应. 该反应使用空气稳定的Ni(II)-芳基卤化物作为催化剂, DBU作为碱, 无需使用外加的光敏剂. 该反应具有广阔的底物范围, 脂肪族的伯、仲醇均可与各种不同官能团的(杂)芳基亲电试剂偶联, 包括芳基溴代物、氯代物和芳基磺酸酯. 初步的机理研究证明,该催化体系经历了一个光促进Ni(I)/Ni(III)循环过程. 该工作为烷基芳基醚的高效合成提供了新的合成方法, 也为发展光/镍协同催化的新型偶联反应提供了研究思路.

陕西师范大学化学化工学院薛东教授

        1997年本科毕业于陕西师范大学化学系。2005年在中国科学院成都有机化学研究所获理学博士学位。2007年10月-2009年12月分别在美国Colorado State University和 The Scripps Research Institute 从事博士后研究。主要从事光催化剂的设计、合成及其参与的催化反应研究，具有生理活性化合物及手性药物的合成研究。在国际核心期刊Angewandte Chemie International Edition, Organic Letters, Chemistry-A European Journal,  Chemical Communications, Green Chemistry等发表研究论文50多篇。获中国发明专利6项。获得2019年度Thieme Chemistry Journals Award奖项。先后主持国家自然科学基金青年、面上，陕西省自然科学基金等科研项目。目前担任陕西师范大学化学化工学院教授、博士生导师、院长、应用表面与胶体化学教育部重点实验室主任。中国化学会有机化学学科专业委员会委员、应用化学学科专业委员会委员,国家外专局应用表面与胶体化学引智基地学术委员会委员。

该文发表在Chin.J.Org.Chem.2020,40(9):3004-3006. 

DOI:10.6023/cjoc202000059,