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MacMillan等人Science：如何用Co做好光氧化还原催化

时间：2023-11-17 来源： 浏览：

MacMillan等人Science：如何用Co做好光氧化还原催化

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副标题：利用Marcus反转区发展基于第一排过渡金属的光氧化还原催化
过去的几十年里，光氧化还原催化取得了巨大进展，通过选择性激活化学键生成高反应活性的自由基中间体，可以实现先前难以完成的转化并获得高价值产物。光催化剂是生成开壳中间体的关键，通常来自第二排或第三排过渡金属配合物，例如能吸收可见光的钌(II)/铱(III)-多吡啶配合物，它们在可见光激发下会产生长寿命电荷转移激发态，可与过渡金属催化剂或有机化合物发生单电子或能量转移以实现催化转化。然而，钌（Ru）和铱（Ir）在地壳中的含量很少，成本高，这严重地限制了它们在有机合成中的应用。在过渡金属配合物之外，一些有机染料在光催化中也已表现出了相当高的效率，但要想调节其氧化还原活性还需单独合成每个催化剂骨架，短期内难以彻底替代过渡金属基光催化剂。相比之下，调节金属配合物的氧化还原性质就像改变金属中心周围的配体一样简单，而且可供选择的市售配体十分多样化，配体对化合物电子结构影响的研究也比较多。基于此，不少化学家尝试使用地球上储量丰富的第一排过渡金属来开发经济高效的光催化剂，但是第一排过渡金属激发态衰变速度极快、寿命极短（图1a），进而限制了其应用。
近日，美国 普林斯顿大学 的 David W. C. MacMillan 教授课题组和美国 密歇根州立大学 的 James K. McCusker 教授课题组合作， 利用钴多吡啶配合物作为光催化剂，通过Marcus反转区行为将激发态能量的增加与激发态寿命的延长相结合，成功地开发了一种前所未有的光催化反应模式 （图1b）。其中多吡啶-钴(III)配合物凭借其强氧化还原电位和足够长激发态寿命可参与双分子反应，进而实现了芳基酰胺与立体受阻芳基硼酸的氧化C( s p 2 )-N键偶联反应。更有普遍意义的是，研究表明可通过设计发色团来延长激发态寿命，同时提高激发态能量，从而为利用储量相对丰富的金属作为光氧化还原催化剂提供了一条新途径。相关成果发表在 Science 上。

图1. 利用Marcus反转动力学开发新型过渡金属光催化剂。图片来源： Science
如图2A所示，配体场强度和激发态寿命之间的相关性可以用Marcus理论理解。在Marcus正态区，配体场激发态的零点能（Δ G 0 ）小于重组能λ，进而导致配体场强度的增加引起激发态弛豫速率的增加（即更短的激发态寿命）。在Co(III)配合物中，与Co(III)相关的配体场强度本质上大于Fe(II)的配体场强度，例如：Co(acac ) 3 和[Co(en) 3 ] 3+ 的寿命分别为2 ps和450 ps，进一步验证了随着配体场强度的增加寿命缩短。其次，随着驱动力的增加，激发态的寿命仍然减少，直到驱动力和重组能完全相互抵消，此时|Δ G 0 |=λ，是无势垒区，其中所研究过程的活化能消失，反应速率仅由两种状态之间的电子耦合决定。当驱动力超过这一点时能垒会重新出现（图2A，右），并且该过程的速率应该会再次开始放缓（即Marcus反转区）。最近对一系列Co(III)配合物的稳态光谱研究提供了有关配体场态能量学的定量信息，即与[Co(en) 3 ] 3+ 相关的配体场强度比Co(acac ) 3 的配体场强度大0.6 V左右，然而上述数据显示激发态寿命延长了100倍。基于此，作者假设Co(III)配合物的光物理可能发生在Marcus反转区。为了验证这种可能性，作者测量了[Co(bpy) 3 ] 3+ 的激发态寿命，结果显示其激发态寿命增加了一个数量级（5.0 ns）。随后，作者测量了一系列同源Co(III)-多吡啶配合物的激发态寿命（图2B），结果表明这些化合物的激发态动力学发生在Marcus反转区，重组能约为4500 c m -1 （~0.55 eV），并且此类配合物具有适用于双分子化学反应的寿命。在此基础上，作者尝试以贵金属基光催化剂的反应性作为基准来评估地球上储量丰富的钴配合物的光催化能力。他们选择先前报道的贵金属光催化剂参与的光氧化还原转化来实现杂芳烃脱羧C-H键官能化、芳烃C-H键膦酰化以及醚的α-芳基化，结果表明Co配合物在未优化的条件下能以高产率提供所需产物，从而可以代替铱/钌-聚吡啶配合物作为光催化剂。

图2. 钴光催化剂的激发态动力学。图片来源： Science
鉴于C(s p 2 )-N键广泛存在于药物分子、天然产物和生物活性分子中，因此化学家发展了多种方法来实现C(s p 2 )-N键偶联，例如：钯催化Buchwald-Hartwig胺化反应、铜催化Ullmann-Goldberg偶联反应以及铜催化Chan-Evans-Lam偶联反应。然而，这些方法往往需要高温、强碱、氧化剂等苛刻条件，导致官能团兼容性和区域选择性较差，同时仅限于空间位阻较小的偶联试剂。鉴于此，作者尝试利用高氧化性Co(III)光催化剂来实现芳基酰胺与立体受阻芳基硼酸的氧化C(s p 2 )-N键偶联反应，具体过程如下（图3A，左）：首先，Co(III)在可见光照射下产生高度氧化的激发态*Co(III)，再通过SET将芳基酰胺转化为相应的酰胺基自由基和Co(II)物种，该物种在外加氧化剂的作用下转化为Co(III)物种，从而实现催化循环。与此同时，酰胺基自由基与芳基硼酸偶联试剂进行无金属 ipso -取代并得到中间体 1a ，再被Co(III)或外部氧化剂氧化为 1b ，最后经重芳构化便可获得所需产物 1 。进一步研究发现[Co(4,4’- Br 2 bpy) 3 ](PF 6 ) 3 能够有效催化N-乙酰苯胺与苯基硼酸之间的偶联反应，并以87%的产率获得产物 1 （图3A，右），而Ir(III)、Ru(II)或有机光催化剂则无法以高产率实现该转化，这表明Co(III)催化剂具有解锁不同反应性的潜力。

图3. 钴光催化剂催化的C-N键偶联反应。图片来源： Science
为了进一步探究反应机理，作者进行了一系列实验：1）Co(4,4’ - Br 2 bpy) 3 ] 3+ 的基态电子吸收光谱在461 nm处显示出配体场跃迁（ 1 A 1 → 1 T 1 ），进而证明Co(III)配合物吸收可见光变为 1 T 1 配体场激发态，随后通过系间窜越（ISC）产生最低能量配体场激发态（即光活性物种）；2）测量显示[Co(4,4’- Br 2 bpy) 3 ](PF 6 ) 3 的激发态氧化电位为 E 0 *[Co(III)/Co(II)]~ +1.65 V vs SCE，其比高氧化性铱光催化剂 [Ir(dF(C F 3 )-ppy) 2 (dtbbpy)](PF 6 ) （ E 0 *[Ir(III)/ Ir(II)]=+1.21 V vs SCE）的氧化性更强；3）对多种氧化剂的研究表明过硫酸盐反应效果最佳，同时对照实验揭示了钴盐、联吡啶配体和氧化剂在所需转化中的必要性，并且C-N键的形成不能通过热方式实现，这些结果与通过自由基途径进行的钴光催化反应一致；4）当酰胺底物 2 在标准条件下进行反应时，仅以15%和5%的产率获得环化产物 3 和C(s p 2 )-N键偶联产物（图3B）。若无钴催化剂反应无法进行，进一步支持其在酰胺氧化和 N -中心酰胺基自由基中间体生成中的作用；5）Stern-Volmer双分子猝灭研究表明酰胺猝灭了Co(III)光催化剂的激发态（图3D）；6）顺磁光核磁共振（photo-NMR）在原位反应中观察到光稳定的Co(II)光催化剂，证实了高氧化性Co(III)光催化剂的还原；7）具有侧链烯烃的类似硼酸 4 在标准反应条件下未观察到环化产物 5 ，仅以18%的产率获得C(s p 2 )-N键偶联产物（图3C），这表明氧化芳基自由基的途径并不可能发生。

图4. 底物拓展。图片来源： Science
最后，作者对该反应的底物范围进行了考察（图4），结果显示苯环上不同电性基团（如：吸电子基团（ 6-9 ）、卤素原子（ 10-13 ））和不同位置（如：邻/对位甲基（ 14、15 ）、间位供/吸电子基团（ 16、17 ））、烷基（ 19、20 ）、饱和(杂)环（ 21-23 ）取代的芳基酰胺甚至甲酰苯胺（ 18 ）、苯并己内酰胺（ 24 ）和酞嗪-1-酮（ 25 ）均能兼容该反应，以中等至较好的产率得到相应偶联产物。其次，作者还探索了芳基硼酸的底物适用性，结果显示异丙基（ 26 ）、三氟甲氧基（ 27 ）、醛基（ 28 ）、酮羰基（ 29 ）、酯基（ 30 ）、 N -烷基酰胺（ 31 ）以及间位（ 32 ）取代的芳基硼酸甚至1-萘基硼酸（ 36 ）均能有效地实现这一转化，而且在金属和过硫酸钾的存在下也没有将醛基氧化为羧酸。通常情况下，Chan-Evans-Lam反应难以兼容邻位取代的芳基硼酸，而本文开发的方法则能以较好的产率将邻位氯（ 33 ）、溴（ 34 ）和苯基（ 35 ）取代的芳基硼酸转化为相应的偶联产物，甚至邻位带有两个甲基的2,4,6-三甲基苯硼酸（ 37 ）同样能以91%的产率进行偶联反应。
总结
本文以多吡啶-钴配合物作为光催化剂，通过Marcus反转区行为将激发态能量的增加与激发态寿命的延长相结合，成功地开发了一种前所未有的光催化反应模式。其中多吡啶-钴(III)配合物凭借其强氧化还原电位和足够长的激发态寿命可参与双分子反应，进而实现了芳基酰胺与立体受阻芳基硼酸的氧化C(s p 2 )-N键偶联反应。毫无疑问，该策略为利用地球储量相对丰富的金属进行光氧化还原催化打开了一扇新大门。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Exploiting the Marcus inverted region for first-row transition metal–based photoredox catalysis
Amy Y. Chan, Atanu Ghosh, Jonathan T. Yarranton, Jack Twilton, Jian Jin, Daniela M. Arias-Rotondo, Holt A. Sakai, James K. McCusker, David W. C. MacMillan
Science , 2023 , 382 , 191-197. DOI: 10.1126/science.adj0612
导师介绍
David W. C. MacMillan
https://www.x-mol.com/university/faculty/156328
James K. McCusker
https://www.x-mol.com/university/faculty/2905
（本文由 吡哆醛 供稿）
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