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金属催化的(杂)芳基卤化物与胺的偶联反应是合成功能分子的重要手段,在学术和工业领域应用广泛,但现有催化体系存在成本高、反应范围有限、大规模应用安全性不足等问题。在铜催化体系中,草酸二酰胺类双阴离子配体虽能提升催化活性,但仍存在配体稳定性差、芳基氯化物胺化需要高催化负载量(5-10 mol%)的缺陷,配体的酰胺键羟基化、分子间 / 分子内副反应是导致催化剂失活的主要原因。
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近期,马大为院士团队 报道了 α- 三氟甲基取代的 α- 羟基酰肼可作为高效配体,应用于铜催化的(杂)芳基卤化物(氯代、溴代)与胺的偶联反应。在(杂)芳基氯化物的胺化反应中,130℃下仅需 1 mol% 的催化剂负载量即可实现完全转化;对于(杂)芳基溴化物,室温下 0.5 mol% 的催化量即可实现高效反应,升温至 90℃时转化数可接近 10000,该数值为目前已报道的铜催化(杂)芳基卤化物(氯代、溴代)胺化反应的最高值。该方法适用于伯胺、仲胺与各类(杂)芳基卤化物的偶联,可以良好至优异的收率合成结构多样的(杂)芳基胺。【 Angew. Chem. Int. Ed. 2026; 10.1002/anie.4978376 】
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配体设计与反应条件优化
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作者基于双阴离子配体可提升铜催化亲核芳基化活性的发现,结合 2,2,2 - 三氟乙醇与酰胺的pKa 值相似性,提出将草酸二酰胺配体的一个酰胺部分替换为 α- 三氟甲基取代的醇单元,设计出 α- 三氟甲基取代的 α- 羟基酰肼类配体。该设计旨在保留配体的电子密度以形成高活性 Cu (I) 配合物,同时通过去除一个羰基提升配体对酰胺键水解的抗性,最终实现低催化负载、高转化数的铜催化(杂)芳基卤化物胺化。
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芳基氯化物胺化条件优化:以 4 - 氯苯甲醚与吗啉的偶联为模型反应,筛选了一系列 α- 三氟甲基取代的 α- 羟基酰肼配体(L1-L8),发现以 3,5 - 二甲基苄基取代的 L7 为配体、CuCl₂为铜盐、K₂CO₃为碱、2 - 甲氧基乙醇为溶剂,在 130℃下反应时,仅需 1 mol% 的催化剂负载量即可实现 89% 的分离收率;其他铜盐(CuBr₂、CuI)、碱(KOH、Na₂CO₃)或溶剂(DMSO、叔戊醇)均会导致收率显著下降。
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芳基溴化物胺化条件优化:以 4 - 溴苯甲醚与吗啉的偶联为模型反应,室温下以 CuI 为铜盐、3,5 - 二叔丁基苄基取代的 L8 为配体、K₂CO₃为碱、2 - 甲氧基乙醇为溶剂,0.5 mol% 的催化负载量可实现 99% 的分离收率;若将催化负载量降至 0.01 mol%、温度升至 90℃,以 CuCl₂/L7 为催化体系,可实现近 10000 的转化数(TON),为目前铜催化(杂)芳基溴化物胺化的最高值。此外,Cu (II) 需在抗坏血酸钠还原下生成 Cu (I) 才具有催化活性,该反应对空气敏感,有氧条件下收率会降至 10%。
配体稳定性验证
研究者将 4 - 氯苯甲醚与吗啉的胺化反应放大至 30 mmol,对比了 L7、草酸二酰胺配体 BTMPO、黄氏课题组的 N-咔唑基-1H-吡咯-2-甲酰肼配体 L5 的稳定性:L7 的回收率达 86%,反应转化率 83%、分离收率 81%(基于回收原料的收率 97%);而 BTMPO 回收率低于 20%,其分解源于配体水解,L5 回收率也低于 20%,主要发生吡咯 N-芳基化副反应。该结果证实新型 α 三氟甲基取代的 α- 羟基酰肼配体在高温、强碱条件下具有优异的稳定性,是实现高转化数的核心原因。
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反应底物范围
芳基氯化物的胺化(CuCl₂/L7,130℃,1 mol% 催化量): 该体系适用于含吸电子、给电子基团的对位、间位、邻位取代芳基氯化物,与环状 / 非环状仲胺、苯胺的偶联收率为 66%-90%,展现出优异的化学选择性(脂肪胺与苯胺的选择性偶联);同时兼容噻吩、吲哚、苯并噻吩、喹啉等杂芳基氯化物,以及硫醚、氰基、醛、酮、醇等官能团。此外,该体系可直接对氯芬新、沃替西汀、依托考昔、奋乃静等含氯药物分子进行官能化,产物收率 74%-90%,解决了 Buchwald 课题组铜催化体系中部分难偶联底物(如 1-(4 - 氯苯基) 乙酮、6 - 氯喹喔啉)的转化问题。
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芳基溴化物的室温胺化(CuI/L8,室温,0.5-5 mol% 催化量): 室温下该体系可实现各类(杂)芳基溴化物与胺的高效偶联,对于低反应活性底物,将催化量提升至 1-5 mol% 即可显著提高收率;对碱敏感的杂芳基溴化物(2-溴噻唑、3-溴-1-甲基-1H-吲唑),以 K₃PO₄替代 K₂CO₃可实现 82%-85% 的收率。该体系兼容醛、酮、羧酸、酯、酰胺、酚等官能团,成功实现了Buchwald课题组无法转化的 4-溴苯酚、4-溴苯甲醛的胺化;同时适用于噻吩、吡啶、喹啉、吡唑等杂环溴化物,以及含腈基、脲、烯烃的胺类底物,氟烷基胺与芳基溴化物的偶联收率达 89%-94%。此外,该体系可对西格列汀片段、阿托莫西汀、阿莫沙平、氟西汀等 10 种药物 / 药物中间体进行官能化,且在(杂)芳基溴化物与氯化物的竞争反应中展现出专一的化学选择性。
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芳基溴化物的高转化数胺化(CuCl₂/L7,90-120℃,0.01-0.1 mol% 催化量): 0.01 mol% 的催化负载量下,90℃时多种官能化芳基溴化物与仲胺、伯胺、苯胺的偶联可实现近 10000 的转化数;对难偶联底物,升温至 120℃或将催化量提升至 0.02-0.1 mol%,仍可实现高收率(70%-87%),适用于空间位阻较大的 α- 支链环仲胺、取代苯胺和芳基溴化物。
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空间位阻型(杂)芳基溴化物的胺化(CuI/L7,80℃,1-5 mol% 催化量): 80℃下 1 mol% 的催化量可实现邻位取代芳基溴化物与吗啉、伯胺的高效偶联,收率 85% 以上;2,6 - 二甲基苯胺与 2 - 溴甲苯的偶联收率达 92%,优于传统的 t-BuXPHOS G3 预催化剂或 25 mol% CuI / 草酰胺配体体系,但对 2,6 - 二甲基哌啶等大位阻胺的偶联效果仍有限。
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手性 α- 氨基酸酯的芳基化: 以 2.5 mol% CuI/L8 为催化体系,可实现对映体富集的 α- 氨基酸酯与芳基溴化物的快速偶联(3 h 完成),产物收率 78%-99%,对映体过量(ee)达 99%,显著降低了传统方法中手性中心的消旋化问题,为合成手性 N - 芳基 α- 氨基酸酯提供了高效策略。
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反应机理研究
活性催化物种:通过 X 射线晶体学表征,证实了由 L6 与 Cu (I) 形成的单核配合物 A 是潜在的催化前体,该配合物仅 N-H 键发生去质子化,O-H 键保持不变;在 60℃、K₂CO₃存在下,该配合物可转化为与文献报道一致的双阴离子二聚 Cu (I) 配合物,是反应的活性物种;Cu (II) 需原位还原为 Cu (I) 才具有催化活性,这也解释了 CuCl₂催化芳基氯化物胺化时存在 5 分钟诱导期,而 CuCl 无诱导期的现象。
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反应动力学:动力学分析表明,芳基氯化物的胺化反应对芳基氯化物和铜催化剂为一级反应,对胺为零级反应;ipso 碳的碳动力学同位素效应(KIE)为 1.022,证实芳基氯化物与 Cu (I) 催化剂的氧化加成是反应的决速步。
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催化循环:提出 Cu (I)/Cu (III) 的催化循环:CuCl₂被原位还原为 Cu (I) 后,与配体在碱作用下形成双阴离子 Cu (I) 配合物 B;B 与芳基卤化物发生氧化加成生成 Cu (III) 物种 C;胺与 C 配位后,在碱作用下生成 Cu (III) 中间体 E;E 经还原消除生成偶联产物,并再生活性催化剂 B,完成循环。
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作者开发了一类新型 α-三氟甲基取代的 α- 羟基酰肼双阴离子配体,成功应用于铜催化的(杂)芳基卤化物(Cl、Br)胺化反应,实现了催化性能的突破性提升:芳基氯化物胺化仅需 1 mol% 的催化负载量即可完全转化,芳基溴化物可在室温下以 0.5 mol% 的催化量高效反应,90℃下催化量降至 0.01 mol% 时可实现近 10000 的转化数,为目前铜催化该类反应的最高值。
参考资料:α-Trifluoromethyl Substituted α-Hydroxyhydrazides as Dianionic Ligands Enable Cu-Catalyzed Aryl Amination With Higher Turnovers;Junying Ye,Bin Guo,Rongxing Zhang,Zhe Dong,Dawei Ma;Angew. Chem. Int. Ed.2026;
10.1002/anie.4978376
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