捕捉銅的分子“舞步” | 科技前線

銅是自然界中含量最高的金屬元素之一，是化學領域中常用的催化劑。自發現以來，烏爾曼反應（Ullmann反應）作為最具代表性的銅催化反應之一，在有機合成中占據重要地位，成為藥物研發和先進材料制備的基石反應之一。

日前，中國科學院上海有機化學研究所科研團隊在銅催化烏爾曼反應機理研究方面取得進展。

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價態迷宮

烏爾曼反應以銅為催化劑，可連接碳原子或碳與氧、氮、硫等雜原子。然而，關于反應機理特別是銅在反應過程中氧化態的變化的爭論從未停止。

傳統觀點認為，銅在+1和+3價態之間循環轉換實現催化。但是，這一理論存在缺陷：銅在自然界中常以0、+1和+2價態穩定存在，而+3價銅物種極不穩定，難以被分離鑒定。銅在氧化還原過程中恰似“蒙面俠”，其關鍵步驟難以捕捉，使反應機理長期存在爭議，但驅使著學界不斷探尋決定性證據。

02

按下反應“暫停鍵”

科研團隊發現了烏爾曼反應的催化循環的復雜本質，并提供了迄今最清晰的機理證據。團隊通過精確控制反應溫度，成功按下“暫停鍵”，減緩了快速進行的反應過程，捕捉到傳統條件下難以觀測的瞬態中間體。

團隊發現，銅的氧化態并非傳統認知的Cu(I)與Cu(III)之間簡單往返，而是遵循Cu(I)→Cu(III)→Cu(II)→Cu(III)→Cu(I)這一更精細的路徑。這一發現解決了困擾學界的機理爭議，更重構了科研人員對銅催化行為的認知。

以三氟甲基銅(I)與芳基碘化物的模型反應為例：在-20°C條件下，三氟甲基銅(I)與芳基碘化物反應生成銅(III)中間體，后者進一步與銅(I)物種發生歸中反應，生成兩個在-20°C下穩定的銅(II)物種；當溫度略微升至-10°C時，銅(II)物種發生歧化反應，分解為銅(III)和銅(I)，可直接觀測到長期推測的關鍵過渡態；最終，在室溫條件下，銅(III)中間體經由還原消除完成碳碳鍵成鍵，并重新生成銅(I)，實現催化循環閉環。

▲烏爾曼型三氟甲基化反應中銅的氧化還原行為

為確認這些瞬態銅物種，團隊進一步結合多種譜學技術開展研究：氟譜核磁共振解析銅物種的結構變化，電子順磁共振譜檢測銅(II)中間體，紫外-可見光譜追蹤銅物種演變。多技術聯用，結合關鍵銅(III)物種分離鑒定，構建出銅在催化過程中動態氧化還原行為的完整圖譜，明確了其循環路徑。

上述研究更新了關于烏爾曼反應的認識，挑戰了過渡金屬催化中氧化還原過程的傳統觀點，揭示了多步驟動態循環或普遍存在于在催化體系。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09627-2

來源：中國科學院上海有機化學研究所

責任編輯：侯茜