Nature报道迄今为止还原性最强的有机光催化剂，还原能力堪比金属锂！

来源：化学加编辑部原创文章 2020-04-26

导读：近日，Nature报道了迄今为止还原性最强的有机光催化剂MesAcr.，其激发态的氧化电势可达E*ox = -3.36 eV，比锂的还原性还强（E*ox = -3.29 eV），它能够还原那些难以还原的化学键。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2131-1

芳基卤代物的C-X键一直是合成化学家研究的热点，受到卤素和芳基共轭的影响，碳卤键往往表现为惰性的化学键，特别是芳基中的C-Cl和C-F键。对于芳基碳卤键的切断往往需要借助于高能自由基、贵金属催化和较强的还原剂。早期，化学家们可以使用锡基自由基或者硅基自由基对芳基碳卤键进行切断自由基化；也可以使用具有较强还原性的单质金属对芳基碳卤键进行还原，但是该类方法总体的官能团兼容性较差。随着金属有机化学的发展，合成化学家可以用Pd等金属进行氧化插入活化芳基卤化物，但是由于芳基氯代物的惰性，该类底物也往往受到应用的限制。随着近几年光化学的深入研究，通过光催化的氧化还原方法来还原芳基卤代物受到关注，因为该方法条件温和、底物兼容性好且方便后续的转化，但同时也存在着巨大的挑战：芳基卤代物，特别是芳基氯代物（部分溴代物）和芳基氟化物的还原电势过高（通常它们的还原电势要达到E_red > -2.5 V），再加上芳基上有给电子取代基(EDG)时，很少有光催化剂的还原电势能够达到-2.5 V，导致该类型的底物在光催化氧化还原中应用极少，如何解决这类型底物在光反应中的应用是化学家亟待的一大难题（图 1）。

图1: 芳基碳卤键切断的方法

近日，Nature报道了迄今为止还原性最强的有机光催化剂MesAcr^.，其激发态的氧化电势可达E^*_ox = -3.36 eV，比锂的还原性还强（E^*_ox = -3.29 eV），它能够还原那些难以还原的化学键，比如氯苯中的C-Cl键和N-Ts键。该化合物是北卡教堂山分校David A. Nicewicz课题组无意中发现的，将具有强氧化性的MesAcr⁺和二茂钴经过光照后发生单电子还原生成MesAcr^.，其表现出非常强的还原性，并且能够在无氧环境下稳定存在（图 2）。

图2: 具有较强还原性的MesAcr^. 图片来源：Nature

David A. Nicewicz课题组一直致力于利用可见光氧化还原有机催化剂进行化学反应方法学的开发，特别是使用9-糠基吖啶盐MesAcr进行有机合成反应。均三甲基苯基吖啶氟硼酸盐MesAcr⁺BF₄⁻是一类在激发态具有较强氧化性的光催化剂，光照激发态下能够直接氧化富电子芳基的C(sp²)-H键。在2015年，该课题组在Science报道了通过使用该类催化剂实现芳基的定向胺化工作（Science, 2015, 349, 1326）。同时该课题组也报道过该类催化剂也能够氧化烯烃和其他富电子芳基的碳氢键工作（图3）。具有较强氧化性的MesAcr⁺BF₄⁻被还原后的MesAcr^.具有一定的还原性，但是光照下将MesAcr^.转为激发态的还原性却没有报道过。在该文中，作者对激发态的MesAcr^.的还原性进行了详细的研究，并将该性质用于那些惰性的芳基卤化物还原和N-Ts脱保护。

图3: David A. Nicewicz课题组利用MesAcr⁺ 实现芳基的定向胺化图片来源：Nature

通过分析MesAcr^.激发态的动力学研究发现，它有两种能量不同的激发态模式：处于低能量的双重态（D1）和处于高能量的扭曲分子内电荷转移态（TICT）。通过DFT计算和实验数据表明，处于低能量的双重态（D1）的MesAcr^.具有 -2.91 V的还原电势，而处于高能量的扭曲分子内电荷转移态（TICT）则具有 -3.36 V的还原电势。通过计算，作者还研究了MesAcr^.分子轨道分布情况：单电子占有分子轨道密度（SOMO）主要分布在吖啶环上，而最低未占有分子轨道（LUMO）分布在N-苯环上，作者推测通过单电子还原的MesAcr^. 可能含有苯基负离子自由基（图4）。

图4: TICT激发态中的MesAcr^.电势计算和轨道分布图片来源：Nature

为了验证这样的推测，作者测试了MesAcr^.瞬时吸收光谱，其在基态和激发态的瞬时吸收波长分别在550 nm和~650 nm，事实上，550 nm是吖啶环的吸收波长，而芳香自由基负离子的吸收一般在600-800 nm，激发态瞬时吸收波长~650 nm处于600-800 nm之间，这证明激发态的MesAcr^.具有苯基负离子自由基存在（图5）。

图5: 激发态中的MesAcr^.吸收光谱图图片来源：Nature

激发态的MesAcr^.具有苯基负离子自由基是该化合物具有高还原性的关键。其性质类似于钠萘溶液产生的萘负离子自由基，它具有较强的还原性，同样的道理，具有苯基负离子自由基的MesAcr^.表现出类似的还原性质，受到光的激发，该苯负离子自由基能够轻松的将分子内的碳溴键还原，同样的，该苯基负离子自由基也能够通过单电子转移将卤代芳基的碳卤键还原。为了稳定新产生的苯基负离子自由基，该苯环会通过扭曲来争取和MesAcr^.的吖啶环得到更大的共轭。作者通过瞬时密度泛函理论TD-DFT计算发现N-苯环自由基负离子通过扭曲使得与吖啶环结构更加趋于平面化，其与吖啶面角度为36°（相比基态的MesAcr*的夹角 >80°），作者认为这对TICT激发态起了较大的作用（图6）。

图6: TICT激发态中的MesAcr^.能够还原分子内的卤素图片来源：Nature

具有如此高的还原性，作者利用这一性质测试了众多难以被还原切断的化学键，比如对甲氧基氯苯（E_p/2 < -2.9 eV vs SCE）和对甲氧基溴苯（E_p/2 = -2.9 eV vs SCE）。在测试的芳基溴代物的底物中，底物6-10都是具有强给电子的甲氧基OMe，该类底物类型的碳溴键通常难以通过还原的方法切断，在该策略中，却能以高收率完成转化（收率>86%）。同时该方法兼容性较好，底物14和15含有羧基和三氟甲基不受MesAcr^.还原的影响（图7）。

图7: TICT激发态中的MesAcr^.还原芳基溴代物图片来源：Nature

同样的，对于具有更加惰性的芳基氯代物的C-Cl键，该方法同样表现的非常高效，对于底物中含有氟原子取代18，该方法选择性的还原碳氯键，同时该方法表现出的底物官能团兼容性：底物中的氰基22，三氟甲基23和羧酸化合物24，25等基团不受还原的影响，特别的，当底物中存在烯烃29，脂肪酮30 和脂肪羧酸31时，该策略没有还原该类易还原的底物，并且产物收率都较高。若分子中存在两个溴原子，MesAcr^.能够同时还原两个溴原子；而对于含两个氯原子的底物 34，则会生成全还原和半还原的混合物（图8）。

图8: TICT激发态中的MesAcr^.还原芳基氯代物图片来源：Nature

作者还测试了N-Ts的切断和还原，传统的方法脱Ts通常需要较强的还原剂（比如Mg或者Na），而在该方法中，利用高还原活性的MesAcr^*就能够实现高选择性的还原N-Ts，对于分子中存在的酮羰基结构48，烯烃57，酯基43，羧酸44 都不受影响，而这些基团大部分都会被金属（比如Na/萘溶液）还原。同时该方法也能够实现底物64 的克级规模反应，可应用于药物分子合成中后期脱保护（图9）。

图9: TICT激发态中的MesAcr^.脱N-Ts基团图片来源：Nature

总结：作者通过光谱和理论计算发现了处于TICT激发态的MesAcr^.具有较强的还原性，光谱数据表明激发态过程主要是形成了苯基负离子自由基，并且通过N-苯环扭曲效应起重要作用。作者利用这一性质应用于难以还原的卤代芳香烃和N-Ts的脱保护。

撰稿人：Caeser

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