喹喔啉-2（1H）-酮的非均相光催化C-H反應(yīng)研究進(jìn)展

楊騏鳴，雷以柱

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

催化作用在化學(xué)基礎(chǔ)研究和化學(xué)工業(yè)應(yīng)用中具有十分重要的意義，幾十年來人們發(fā)明了許多具有重大科學(xué)和工業(yè)意義的催化劑,作為催化科學(xué)的核心，非均相催化因其低成本、環(huán)境友好、高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性，使催化劑易于回收、再生和可持續(xù)生產(chǎn)而獲得廣泛關(guān)注［1］。在發(fā)展高性能非均相催化反應(yīng)過程中，已經(jīng)開發(fā)了多種非均相催化劑，如固體酸催化劑、有機(jī)堿催化劑、金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、復(fù)合催化劑、稀土催化劑、分子篩催化劑、生物催化劑、納米催化劑等［2,3］。隨著科技的發(fā)展，非均相光催化反應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。

非均相光催化反應(yīng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如:（1）利用可持續(xù)的太陽能資源；（2）非均相光催化氧化反應(yīng)速度快，能耗低；（3）與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，反應(yīng)條件較傳統(tǒng)熱催化溫和等。

非均相光催化對(duì)有機(jī)合成方法的發(fā)展有重要作用，特別是喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反應(yīng)的研究，由于其環(huán)境友好性、高活性、選擇性、穩(wěn)定性、易于回收、再生和可持續(xù)生產(chǎn)而不斷出現(xiàn)。不過，盡管研究成果豐碩，使用非均相光催化劑的喹喔啉-2（1H）-酮的C-H功能化研究尚未有綜述報(bào)道。為了更好地利用非均相光催化劑開發(fā)喹喔啉-2（1H）-酮的C-H 功能化方法，有必要對(duì)它們進(jìn)行總結(jié)。

1 喹喔啉-2（1H）-酮為底物的非均相光催化反應(yīng)

喹喔啉-2（1H）-酮被認(rèn)為是一類重要的含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)基團(tuán)，存在于各種具有生物活性的天然產(chǎn)品和藥物化合物中［4］。喹喔啉-2（1H）-酮在材料科學(xué)中也有廣泛的應(yīng)用［5,6］。近年來，以喹喔啉-2（1H）-酮為底物的非均相光催化反應(yīng)受到越來越多的關(guān)注。其中，喹喔啉-2（1H）-酮在C3位直接C-H 功能化是合成喹喔啉-2（1H）-酮衍生物最經(jīng)濟(jì)的方法，在這個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)了大量的研究［7，8，9，10，11，12，13，14］。

在本文中，我們對(duì)喹喔啉-2（1H）-酮C-H 功能化的非均相光催化反應(yīng)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并根據(jù)非均相光催化劑的類型進(jìn)行分類。喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反應(yīng)如圖1所示。

圖1 喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反應(yīng)

2 喹喔啉-2（1H）-酮在非均相光催化下的直接C-H功能化

2.1 石墨相氮化碳作為非均相光催化劑

石墨相氮化碳（g-C3N4）是一種低成本、易于制備、無金屬的半導(dǎo)體光催化劑。g-C3N4作為一種環(huán)境友好、易于回收和高效的非均相光催化劑，已被廣泛用于各種有機(jī)轉(zhuǎn)化［15，16］。

2020年，余（Yu）等［17］報(bào)道了g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮與N-芳基甘氨酸在可見光下的歧化非均相反應(yīng)。在DMSO/H2O和EtOH中，溶劑控制反應(yīng)得到的兩種不同產(chǎn)物的產(chǎn)率均較高。完成了一系列底物的制備，獲得較好的收率?？思?jí)反應(yīng)收率達(dá)80%。經(jīng)過一系列對(duì)照實(shí)驗(yàn)得出了結(jié)論，反應(yīng)介質(zhì)是這種轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵調(diào)制器。即在DMSO/H2O 中低濃度的氧產(chǎn)生氨氫甲基化產(chǎn)物3a，而在高溶解氧濃度的乙醇中進(jìn)行反應(yīng)則有利于環(huán)化產(chǎn)物4a。對(duì)g-C3N4的循環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，乙酸乙酯洗滌后，g-C3N4的催化活性在第五次循環(huán)中基本保持不變，表明該多相光催化劑具有穩(wěn)定性和可重復(fù)性。g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮與N-芳基甘氨酸非均相光催化反應(yīng)式如圖2所示。

圖2 g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮與N-芳基甘氨酸非均相光催化反應(yīng)

2022 年，彭（Peng）［18］和他的同事們提出一種非均相可見光誘導(dǎo)的喹喔啉-2（1H）-酮的直接C-H 羥基化方法，該方法使用g-C3N4作為空氣條件下的光催化劑，通過簡(jiǎn)單的洗滌和過濾得到各種3-羥基喹喔啉-2（1H）-酮。在標(biāo)準(zhǔn)條件下作者研究了喹喔啉-2（1H）-酮的羥基化循環(huán)反應(yīng)。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，通過簡(jiǎn)單的過濾和用反應(yīng)溶劑沖洗，將g-C3N4光催化劑從反應(yīng)混合物中回收和干燥，然后直接在下一輪中重新使用。該反應(yīng)最多循環(huán)6次，催化活性沒有明顯損失。值得注意的是，在沒有硫醇或在N2環(huán)境下，該反應(yīng)不能順利進(jìn)行。這表明硫醇和氧氣對(duì)反應(yīng)是必要的。g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮非均相羥基化反應(yīng)式如圖3所示。

圖3 g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮非均相羥基化反應(yīng)

2022年，謝（Xie）等［19］人報(bào)道了在空氣條件下陽光誘導(dǎo)和g-C3N4催化的喹喔啉-2（1H）-酮的磺化反應(yīng)，該反應(yīng)提供了一個(gè)非常有吸引力和實(shí)用的方法，可以選擇性地獲得各種3-硫化喹喔啉-2（1H）-酮，并有良好的產(chǎn)量。此外，非均相催化劑可以很容易地循環(huán)使用6 次，同時(shí)保持其高催化活性。不過該反應(yīng)在N2條件下或在黑暗中不能正常進(jìn)行，這也為機(jī)理研究提供了基礎(chǔ)。g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮磺化反應(yīng)式如圖4所示。

圖4 g-C3N4催化喹喔啉-2（1H）-酮磺化反應(yīng)

2023 年，何（He）等［20］人首次提出用g-C3N4/NaI 半非均相雙催化喹喔啉-2（1H）-酮和芳基肼在藍(lán)光照射下形成3-芳基喹喔啉-2（1H）-酮，該方法合成了多種多樣的3-芳基喹喔啉-2（1H）-酮產(chǎn)品，產(chǎn)量高，官能團(tuán)耐受性好。與上述g-C3N4光催化劑類似，在沒有分子氧或光照條件下，所需的產(chǎn)品沒有被檢測(cè)出來?？思?jí)的反應(yīng)產(chǎn)率為72%。用g-C3N4催化劑進(jìn)行的循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，重復(fù)使用至少5次而不會(huì)有明顯的催化活性損失。g-C3N4/NaI 半非均相雙催化喹喔啉-2（1H）-酮和芳基肼反應(yīng)式如圖5所示。

圖5 g-C3N4/NaI半非均相雙催化喹喔啉-2（1H）-酮和芳基肼

2022年，余（Yu）［21］和他的同事以較低的煅燒溫度和較短的煅燒時(shí)間直接從g-C3N4制備了鉀改性氮化碳（K-CN），并將K-CN作為非均相光催化劑，以空氣為氧化劑，在可見光照射下首次實(shí)現(xiàn)了喹喔啉-2（1H）-酮羥基烷基化反應(yīng)，在研究了催化性能后，確定KCl 與LiCl 的摩爾比為0.56，煅燒時(shí)間為1.5 h，為最佳催化劑，并利用一系列表征手段比較了最佳催化劑與g-C3N4的差異。利用最佳反應(yīng)條件，篩選出了一些底物，得到了中等到優(yōu)秀的產(chǎn)量。值得注意的是，一元醇可以完成反應(yīng)，而二元醇卻不能得到相應(yīng)的產(chǎn)物。循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，K-CN 催化劑中的鉀離子不斷流失。在加入兩個(gè)當(dāng)量的KF 后，在第二次回收試驗(yàn)中仍然獲得了76%的產(chǎn)率，但不幸的是，在第三次運(yùn)行中，所需產(chǎn)品的產(chǎn)量明顯下降，這可能是由于鉀離子的不斷損失造成的。以K-CN 為非均相光催化劑，催化喹喔啉-2（1H）-羥基烷基化反應(yīng)式如圖6所示。

圖6 以K-CN為非均相光催化劑，催化喹喔啉-2（1H）-羥基烷基化反應(yīng)

2.2 共價(jià)有機(jī)框架（COF）作為非均相光催化劑

自2005年亞基（Yaghi）［22，23，24］及其同事首次報(bào)道以來，9 個(gè)共價(jià)有機(jī)框架（COFs）在合成、結(jié)構(gòu)、基本特性、能量?jī)?chǔ)存和催化應(yīng)用方面受到了極大關(guān)注。COFs已經(jīng)成為一類新的非均相光催化劑，因?yàn)樗鼈兙哂懈邿岷突瘜W(xué)穩(wěn)定性、大比表面積和優(yōu)良的光學(xué)性能，可用于可見光驅(qū)動(dòng)化學(xué)轉(zhuǎn)化。與現(xiàn)有的均相光催化劑相比，它們具有易于催化劑回收的固有優(yōu)勢(shì)，這對(duì)連續(xù)化學(xué)的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要［25,26］。

2019 年，楊（Yang）［27］課題組報(bào)道以肼基二維共價(jià)有機(jī)框架（2D-COF-1）作為非均相光催化劑，在可見光驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了喹喔啉-2（1H）-酮與肼的芳基化和烷基化反應(yīng)。由于2D-COF-1優(yōu)良的光催化性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和異質(zhì)性，該方法具有效率高、功能團(tuán)耐受性好、易于擴(kuò)展和可重復(fù)使用的催化劑等特點(diǎn)。重要的是，它為以更環(huán)保和可持續(xù)的方式快速獲得各種C3 芳基化或烷基化喹喔啉-2（1H）-酮提供了一種替代方法。需要注意的是，該反應(yīng)不能在氬氣環(huán)境下進(jìn)行，這意味著空氣中氧氣可能在當(dāng)前的光催化循環(huán)中起到關(guān)鍵作用。光催化劑循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，2D-COF-1 在運(yùn)行6 次后保持了高光催化活性。喹喔啉-2（1H）-酮的可見光驅(qū)動(dòng)芳化和烷基化反應(yīng)式如圖7所示。

圖7 喹喔啉-2（1H）-酮的可見光驅(qū)動(dòng)芳化和烷基化

2021年，同樣是 楊（Yang）小組［28］報(bào)道的一個(gè)可見光驅(qū)動(dòng)的雜環(huán)的脫羧烷基化反應(yīng)，包括喹喔啉-2（1H）-酮，由一個(gè)烯烴連接的共價(jià)有機(jī)框架（2D-COF-2）而不是常用的貴金屬復(fù)合物和有機(jī)染料催化。在非均相反應(yīng)條件下，各種烷基化的雜環(huán)被選擇性地、高效地合成。2D-COF-2 依靠烯烴鏈的超級(jí)穩(wěn)定性，在強(qiáng)酸性條件下保持其基本結(jié)構(gòu)和光活性。此外，它在循環(huán)實(shí)驗(yàn)、生物活性分子的功能化和放大反應(yīng)中的試驗(yàn)潛力已經(jīng)得到證明?？梢姽怛?qū)動(dòng)雜環(huán)脫羧烷基化反應(yīng)的反應(yīng)式如圖8所示。

圖8 可見光驅(qū)動(dòng)雜環(huán)脫羧烷基化反應(yīng)

2022 年，同樣是楊（Yang）［29］和他的同事報(bào)告了一個(gè)可見光驅(qū)動(dòng)的非均相催化三組分級(jí)聯(lián)反應(yīng)，即烯烴或炔烴、CF3SO2Na 和喹喔啉-2（1H）-酮。在這個(gè)反應(yīng)中，二維亞胺連接的共價(jià)有機(jī)框架（2D-COF-5）被用作非均相光催化劑。以令人滿意的產(chǎn)率制備了廣泛的C3 三氟烷基和三氟烯基喹喔啉-2（1H）-酮衍生物。對(duì)2D-COF-5 的可再利用性進(jìn)行的初步研究表明，在8 次回收過程中，其光催化性能、基本化學(xué)結(jié)構(gòu)都得到了很好的保留。特別令人驚訝的是，由于反應(yīng)條件溫和，喹喔啉-2（1H）-酮與炔烴的反應(yīng)具有很高Z/E 選擇性。Z/E比高于10：1，顯示出良好的Z選擇性。喹喔啉-2（1H）-酮的可見光非均相光催化三組分反應(yīng)的反應(yīng)式如圖9所示。

圖9 喹喔啉-2（1H）-酮的可見光非均相光催化三組分反應(yīng)

2.3 離子交換樹脂作為非均相光催化劑

離子交換樹脂催化劑因其成本低、不含金屬成分、產(chǎn)品易凈化、可回收和可重復(fù)使用等特點(diǎn)而備受關(guān)注［30-32］。2021年，張（Zhang）［33］研究小組展示了一種非均相合成方法，用于陽光催化的水中多組分轉(zhuǎn)化，使用喹喔啉-2（1H）-酮作為反應(yīng)物進(jìn)行甲基酮的雙功能化。在這種轉(zhuǎn)化中，離子交換樹脂（Amberlyst 15）因其可回收和重復(fù)使用而被用作多相催化劑。這種方法為中高產(chǎn)率合成各種雙功能化α-酮提供了一條綠色和可持續(xù)的路線。應(yīng)該注意的是，當(dāng)使用不對(duì)稱的脂肪族酮如2-戊酮作為起始材料時(shí)，會(huì)形成少量的產(chǎn)物4i。此外，加入曲拉通（Triton）X-100 作為表面活性劑后，芳香酮轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的產(chǎn)率較高，可能是由于表面活性劑增加了芳香酮的水溶性。轉(zhuǎn)化完成后，混合物直接用乙酸乙酯提取，而含有催化劑的水相則通過直接加入起始材料來促進(jìn)反應(yīng)。循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，在第三個(gè)循環(huán)中觀察到催化活性的明顯損失。然而，用一種簡(jiǎn)單的清洗方法對(duì)已經(jīng)重復(fù)使用過4次的催化系統(tǒng)進(jìn)行再處理，可以使催化劑重新獲得催化活性。光照誘導(dǎo)喹喔啉-2（1H）-酮的非均相光催化多組分反應(yīng)的反應(yīng)式如圖10所示。

圖10 光照誘導(dǎo)喹喔啉-2（1H）-酮的非均相光催化多組分反應(yīng)

同年，同一個(gè)張（Zhang）［34］小組報(bào)告了一種可重復(fù)使用的磺酸離子交換樹脂（Amberlyst 15）促進(jìn)光催化的方法，并在水中進(jìn)行反應(yīng)得到烯化喹喔啉-2（1H）-酮。這種可回收水相反應(yīng)是在較溫和的條件下進(jìn)行的，為生產(chǎn)含有3,4-二氫喹喔啉-2（1H）-酮骨架的各種（Z）-氨基酮提供了一條綠色和實(shí)用的途徑。該方法成功地將異質(zhì)曼尼希反應(yīng)與光催化相結(jié)合。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，通過用乙酸乙酯提取反應(yīng)混合物，凈化了含有產(chǎn)品的有機(jī)層。然后直接加入起始材料，用水相來催化轉(zhuǎn)化。在第二次運(yùn)行中觀察到催化活性的輕微損失，在第三次和第四次運(yùn)行中催化活性明顯損失。對(duì)催化劑進(jìn)行3次或4次的再處理，再生的催化劑具有更好的催化活性。喹喔啉-2（1H）-酮在水中烯醇化的反應(yīng)式如圖11所示。

圖11 喹喔啉-2（1H）-酮在水中烯醇化

2022年，李（Li）小組［35］發(fā)表了與張（Zhang）［34］類似的反應(yīng)方法，即在陽光促進(jìn)下，可回收的離子交換樹脂（Ambersep 900）催化水相中酮類與喹喔啉-2（1H）-酮的α-雜芳基化策略。特別是，在該反應(yīng)中觀察到良好的區(qū)域選擇性，表明酮的α位為仲碳是活性部位。該方法能很好地適應(yīng)底物，并合成各種α-雜芳基的酮類產(chǎn)品。催化系統(tǒng)的可回收性與張（Zhang）［34］以前的報(bào)道基本相似。Ambersep 900催化喹喔啉-2（1H）-酮α-異芳化的策略如圖12所示。

圖12 Ambersep 900催化喹喔啉-2（1H）-酮α-異芳化的策略

2.4 微球作為非均相光催化劑

2022年，余（Yu）和陳（Chen）［36］的研究小組使用溶劑熱法，在不同的溶劑中合成一系列的硫化銦鋅（ZnIn2S4）。在乙醇中制備的ZnIn2S4（ZIS-1）被表征為具有最高的光電流密度。使用ZIS-1 作為光催化劑，在空氣中的456 nm藍(lán)光下實(shí)現(xiàn)了N-雜環(huán)化合物（包括喹喔啉-2（1H）-酮、喹唑啉和2H-苯并［b］-［1,4］惡嗪-2-酮）直接C-H 偶氮化。更重要的是，ZIS-1 微球體光催化劑在催化過程中是穩(wěn)定的，至少可以使用5 次而沒有反應(yīng)性的變化。N-雜環(huán)化合物直接C-H 偶氮化反應(yīng)式如圖13所示。

圖13 N -雜環(huán)化合物直接C-H偶氮化

3 總結(jié)與展望

通過非均相光催化反應(yīng)使喹喔啉-2（1H）-酮直接C-H 功能化是一種綠色可持續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，這種簡(jiǎn)單有效的方法已經(jīng)引起了合成化學(xué)家越來越多的興趣，并在藥物化學(xué)和功能材料方面有了很大的應(yīng)用前景。本文回顧近年來報(bào)道的通過不同的非均相光催化劑對(duì)喹喔啉-2（1H）-酮進(jìn)行C-H 功能化非均相催化反應(yīng)，展示了主要代表性底物，以便更深入和快速地了解這些反應(yīng)，同時(shí)為進(jìn)一步發(fā)展喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反應(yīng)提供參考。

不過，喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反應(yīng)還存在一些不足，如反應(yīng)類型還非常單一、非均相光催化劑種類較少、未涉及不對(duì)稱合成等。為了進(jìn)一步發(fā)展喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反應(yīng)，還需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行發(fā)展。第一，喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反應(yīng)類型還非常單一，主要涉及C-C、C-N、C-S 和C-O 鍵的形成，特別是喹喔啉-2（1H）-酮的C3 位上的C-B/Si/P/RF/X/Se 鍵還沒有完成，有望通過喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反應(yīng)完成。第二，喹喔啉-2（1H）-酮非均相催化反應(yīng)使用的非均相光催化劑種類相對(duì)較少且反應(yīng)類型單一，還需進(jìn)一步的研究，如金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、復(fù)合催化劑、稀土催化劑、分子篩催化劑、生物催化劑、納米催化劑等。第三，不對(duì)稱合成一直是有機(jī)化學(xué)的研究課題，以喹喔啉-2（1H）-酮為底物完成不對(duì)稱催化反應(yīng)具有挑戰(zhàn)性，通過喹喔啉-2（1H）-酮的非均相光催化反應(yīng)引入手性中心是一條簡(jiǎn)潔的途徑。

總之，我們希望本文的綜述對(duì)該領(lǐng)域研究有所幫助。喹喔啉-2（1H）-酮非均相光催化反應(yīng)為制備各種功能化的喹喔啉-2（1H）-酮提供了一種原子上經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好和可持續(xù)的方法，在材料科學(xué)和藥物化學(xué)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。