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北理工夏中华JACS：光敏化金催化溴代芳烃的交叉偶联反应

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-23 09:00

正文

研究背景

图1. 金/光催化芳基溴的交叉偶联反应

近年来，配体促进的Au(I)/Au(III)催化的与芳基碘的交叉偶联反应备受关注。近日，北京理工大学夏中华研究员团队首次报道了可见光驱动的、具有挑战性的芳基溴化物的金催化交叉偶联反应（图1）。在(P, N)-金(I)催化剂和吖啶盐光催化剂存在下，经蓝色LED照射，实现了芳基溴化物与羧酸的C-O偶联反应，并且发现这种光诱导金催化芳基溴化物的交叉偶联反应，适用于其他C-C、C-N和C-S键的形成。实验和计算研究表明，这种可见光驱动的金催化芳基溴化物的交叉偶联反应，涉及两个独立的光诱导能量转移（EnT）过程：首先，光敏剂的能量转移产生激发态的金(I)配合物，使芳基溴化物能够进行氧化加成步骤，形成芳基Au(III)配合物；接着，激发态的芳基-Au(III)配合物发生还原消除，再生成金(I)。总的来说，开发的新型协同催化方法凸显了通过激发态有机金配合物进行光化学金催化的巨大潜力，以及由于反应条件的生物相容性和温和性，在药物研发方面的潜在应用价值。

图文解析

与 Pd 、 Ni 和 Cu 等其他过渡金属不同，金具有独特的反应性，在过去二十年中已成为有机化学中一个极具吸引力的研究领域。但由于 Au(I)/Au(III) 电对的高氧化电位，实现金催化交叉偶联反应颇具挑战。金催化芳基卤化物的交叉偶联是金化学的前沿技术，此前研究主要集中于活性较高的芳基重氮盐和活性稍低的芳基碘化物（图 2a, b, c ），芳基溴化物因难以发生氧化加成反应，在金催化交叉偶联反应中被视为活性很低的底物，开发温和条件下金催化芳基溴化物的偶联策略一直是研究难点（图 2c, d ）。

图 2. 金催化芳基卤化物的交叉偶联及金 (I) 的氧化加成

夏中华 研究员长期从事光诱导金催化领域的研究工作。 2019 年， Fensterbank 和 夏中华 合作报道了 Au(I) 和 Ir(III) 催化的邻 - 炔基苯酚与碘代炔烃的炔基环化反应，首次提出了光敏化能量转移 (photosensitized energy transfer ）促进碘代炔烃对于金 (I) 配合物的氧化加成 ( 详见 Nat. Chem. , 2019 , 11 , 797-805 ； https://www.x-mol.com/news/18477 ) 。 2024 年， 夏中华 课题组报道了光诱导金催化的酯化反应，通过能量转移 (EnT) 发生金 (III) 的还原消除过程，实现了芳基碘化物与羧酸的 C-O 偶联反应（详见 JACS Au , 2024 , 4 , 3084–3093. https://mp.weixin.qq.com/s/CoeLWqxDoaLZhAHQXWgBGw ）。最近， 北京理工大学夏中华 课题组报道了光诱导金催化芳基溴化物的交叉偶联反应（图 2e ）。相关工作以 “Photosensitized gold-catalyzed cross-couplings of aryl bromides” 为题发表在国际知名期刊《 J. Am. Chem. Soc. 》上。

图 3. 机理推测与验证实验

受半不稳定 P, N- 配体在金催化芳基碘化物交叉偶联反应中的应用启发，结合前期光诱导金催化研究（ Nat. Chem. , 2019 , 11 , 797-805 ； JACS Au , 2024 , 4 , 3084–3093 ），设想利用可见光能量，通过两个独立的光诱导能量转移（ EnT ）过程（图 3a ），实现芳基溴化物与 Au(I) 的氧化加成和芳基 -Au(III) 羧酸盐的还原消除，构建金催化芳基溴化物的交叉偶联新途径。以 4- 溴苯甲醚和对甲苯甲酸为模型底物，在传统金催化加热条件下无目标产物生成，而在蓝色 LED 照射下，加入光催化剂 [Mes-Acr-Me] ⁺ [ClO ₄ ] ^- ，能以 99% 的产率得到 C-O 偶联产物（图 3b ）。

图 4. 反应条件筛选

作者选择对溴苯甲醚 1a 和对甲基苯甲酸 2a 为底物对反应条件进行优化，通过大量的条件筛选，确定了最优的反应条件。通过条件优化发现，半不稳定 P, N- 配体金催化剂 MeDalphosAuCl 、 AgSbF ₆ 、吖啶盐光催化剂等对反应至关重要，反应在空气氛围和多种溶剂中均可进行（图 4 ）。

图 5. 不同芳基卤化物的敏化或直接激发实验

图 6. 机理研究

通过不同芳基卤化物与对甲苯甲酸的反应、直接激发实验和分子内竞争实验，证实反应体系中发生的是光敏化能量转移（ EnT ）途径而非光诱导电子转移（ PET ）过程（图 5 ）。更进一步的机理研究（图 6 ），通过 NMR 光谱、荧光淬灭实验和 DFT 计算等手段，对氧化加成、转金属化和还原消除等基元步骤进行研究。结果表明，光敏剂和蓝光能显著加速氧化加成反应；转金属化步骤中，羧酸银是关键中间体；还原消除步骤中，光激发能促使芳基 -Au(III) 羧酸盐发生还原消除生成产物。

图 7. 羧酸和芳基溴化物底物范围

该反应对芳基和烷基羧酸以及芳基溴化物具有较广泛的底物适应性（图 7 ）。芳基羧酸上的电子中性、富电子和吸电子基团，以及烷基羧酸包括伯、仲、叔羧酸都能顺利反应；芳基溴化物上不同位置带有不同取代基时，富电子芳基溴化物更有利于反应，吸电子芳基溴化物反应产率较低。

图 8. 适用于其他体系

该光 / 金催化体系还适用于 C-C 、 C-N 和 C-S 等其他交叉偶联反应（图 8 ），成功合成了一系列相应的偶联产物，拓展了该催化体系的应用范围。

图 9. FXR 激动剂的筛选与鉴定

鉴于金催化剂的生物相容性和光化学反应条件的温和性，以 FXR 为模型进行生物活性筛选（图 9 ）。发现化合物 14 是一种新型 FXR 激动剂，能有效激活 FXR 转录活性，调节脂质代谢相关基因的转录水平，显著减轻肝细胞中油酸诱导的脂质积累且无细胞毒性。

总结展望

夏中华研究员团队通过可见光驱动策略，实现了新型金催化芳基溴化物的交叉偶联反应。并且这种光诱导金催化芳基溴化物的交叉偶联，也适用于其他 C-C 、 C-N 和 C-S 键的形成。实验和理论研究表明，这种光诱导金催化芳基溴化物的交叉偶联反应，涉及两个独立的光诱导能量转移（ EnT ）过程：首先，芳基溴化物与 Au(I) 发生氧化加成反应，形成芳基 Au(III) 复合物；接着，激发态芳基 Au(III) 复合物发生还原消除反应，再生出 Au(I) 。这种新的协同催化途径凸显了通过激发态有机金配合物进行光化学金催化的巨大潜力。此外，由于这种光 / 金催化方案的生物相容性和温和性，它为药物化学家在药物发现和开发方面探索新的化学空间提供了有力的工具。

致谢

上述研究工作得到了国家自然科学基金 (22201019) 的支持。本文第一作者为北京理工大学博士生武佳文和北京大学郭富生博士。感谢北京大学雷晓光教授和郭富生博士在本文生物活性测试方面的工作与支持，感谢中山大学附属第七医院易陈菊研究员的讨论与支持。本文通讯作者为北京理工大学夏中华研究员。

作者介绍

夏中华，北京理工大学研究员，博士生导师。中国科学院广州生物医药与健康研究院硕士，导师朱强；法国索邦大学 Sorbonne Universit é博士，导师 Louis Fensterbank ；日本东京大学特任研究员 Project Researcher ，合作导师 Sh ū Kobayashi 。夏中华研究员课题组研究领域包括 1 ）金 / 光催化的新反应及其在药物中的应用， 2 ）合成新型阻燃材料与防污材料及其应用等。以第一作者或通讯作者在国际权威期刊上发表了 SCI 论文多篇，包括 Nature Chemistry ， J. Am. Chem. Soc. ， JACS Au ， Chemical Science 等。

课题组网页

https://www.x-mol.com/groups/xia_zhonghua

文献信息

Photosensitized Gold-Catalyzed Cross-Couplings of Aryl Bromides, Jiawen Wu, ‡ Fusheng Guo, ‡ Chenju Yi, Rongjie Yang, Xiaoguang Lei and Zhonghua Xia* , Journal of the American Chemical Society , 2025 , DOI: 10.1021/jacs.4c14501.

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