多功能镍催化剂促进的多样化光氧化还原C(sp2)-C(sp3)交叉偶联
在有机合成领域，过渡金属催化的交叉偶联反应一直是构建碳-碳键的重要手段。近年来，镍催化凭借其独特的反应机理和相对较低的成本，在交叉偶联反应研究中备受关注。尤其是镍光氧化还原催化，为构建具有挑战性的碳-碳和碳-杂原子键开拓了新路径。然而，目前大多数光氧化还原镍催化反应依赖特定的金属配合物或有机染料作为光敏剂，且不同C(sp3)自由基前体需要不同光催化剂组合。这不仅大幅增加了实验成本和操作复杂性，而且极大地限制了其应用范围。并且，光敏剂和镍通常各自独立激活不同的偶联伙伴，难以实现高效的协同作用。开发一种通用的催化体系，使用相同镍催化剂并兼容多种C(sp3)自由基前体，同时无需外源光敏剂，对推动交叉偶联反应发展具有重要意义。
图1 光促进联吡啶镍配合物催化C(sp2)-C(sp3)交叉偶联
近日，绿色催化与合成团队薛东/康腾飞研究团队最近在《美国化学会催化》（ACS Catalysis）期刊上发表了一项重要研究，开发出一种新型金属光氧化还原交叉偶联反应。该反应利用单一镍催化剂，实现了卤代芳烃与多种C(sp3)自由基前体的C(sp2)−C(sp3)键构建，为有机合成领域带来突破。反应使用廉价易得的镍(II)配合物作为催化剂，在UV光（365−370 nm）照射下进行，实现了（杂）芳基卤化物与6类不同C(sp3)自由基前体（如有机三氟硼酸盐、1,4-二氢吡啶、氧化还原活性酯、Katritzky盐、烃类和环醚）的交叉偶联。该反应具有广泛的底物适用性（超过100个例子），良好的官能团耐受性，并能够扩大反应规模25倍，为药物分子的修饰与合成提供了高效工具。
图 2 卤代芳烃与三氟硼酸盐偶联的底物范围
图 3 卤代芳烃与多种烷基自由基前体偶联的底物范围及应用
图 4 反应机理研究
为了深入了解反应机理，团队进行了一系列控制实验和机理研究。实验结果表明：镍催化剂在反应中起着不可替代的多重作用，既能激活C(sp3)自由基前体和卤代芳烃，又参与了整个反应过程。在光照射下，镍（II）配合物与不同的C(sp3)自由基前体发生单电子转移过程，生成烷基自由基和低价镍物种，随后经过一系列反应包括氧化加成、单电子转金属化及还原消除等，最终实现C(sp2)-C(sp3)键的构建。值得注意的是，镍（I）配合物是催化C(sp3)前体生成烷基自由基的关键中间体。通过合成已报道的Ni(I)配合物进行控制实验以及EPR实验，进一步成功捕获产生的烷基自由基。在该光促进镍催化体系中，多种自由基前体产生自由基的方式不同：对于有机三氟硼酸盐和1，4-二氢吡啶，通过光激发后的Ni(I)配合物氧化产生；对于氧化还原活性酯和Katritzky盐，通过Ni(I)配合物还原产生；对于烃类和环醚，则是通过激发态Ni(II)配合物的镍卤键均裂所生成的卤素自由基介导的氢原子转移过程。
这种单一镍催化剂体系，在药物化学领域展现出巨大的应用潜力，有望推动镍催化领域的进一步发展，为有机合成化学的进步奠定基础。研究团队将继续探索该催化体系的更多应用，致力于为有机合成领域带来更多成果。
相关研究结果发表在ACS Catalysis上，文章第一作者为博士研究生李京晟，通讯作者为薛东教授和康腾飞副研究员。该研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基金、陕西省创新团队等项目的支持。另外衷心感谢实验中心樊娟老师和孙华明老师在机理研究方面的实验技术支持。
论文信息：
The Multiple Roles of Bipyridine-Nickel(II) Complex in Versatile Photoredox C(sp2)–C(sp3) Cross-Coupling
Jingsheng Li, Tengfei Kang*, Yi Xiao, Zhenyu Li, Yulin Xiao, Yonggang Yan, Geyang Song, Gang Li, Jianyang Dong, Chao Wang, Dong Xue*
ACS Catalysis, 2025, 15, 3328–3338; DOI: 10.1021/acscatal.4c07605
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