哈佛大学Science：光/电共催化实现芳烃的多氟烷基化反应

导读

近日，美国哈佛大学(Harvard University)Daniel G. Nocera课题组利用[Ag(bpy)2(TFA)][OTf]和Ag(bpy)(TFA)2络合物中Ag(II)的亲电性，通过可见光诱导实现了三氟乙酸盐（trifluoroacetate, TFA）的活化生成三氟甲基自由基。而三氟甲基自由基可以与多种芳烃反应来构建C(sp2)-CF3键。值得注意的是，此方法还可以扩展到其它长链全氟烷基羧酸盐（RFCO2-; RF = CF2CF3或CF2CF2CF3）。此光氧化还原反应可以在光辐射过程中通过电化学再生Ag(II)络合物从而实现光/电催化循环。通过光激发Ag(II)-TFA配体到金属的电荷转移（ligand-to-metal charge transfer，LMCT），随后将Ag(I)光产物通过电化学再氧化回Ag(II)光反应物，从而实现了超过20次转化数的芳烃光/电催化全氟烷基化过程。相关成果发表在Science上，文章链接DOI: 10.1126/science.adk419。

（图片来源：Science）

正文

光氧化还原策略已成为有机合成中不可或缺的工具之一，其利用光子作为一种清洁和选择性的能源，在相对温和的条件下促进具有挑战性的化学反应发生。在众多光氧化还原反应策略中，配体到金属的电荷转移（LMCT）过程已被应用于从惰性底物中产生活性中间体。由于LMCT过程涉及电子密度向金属中心的转移，因此通常只有处于高价态的亲电性质金属才可以参与LMCT光化学。一系列络合的金属离子，包括Cu(II), Co(III), Fe(III), Ni(III), V(V)和Ce(IV) 中心均可在LMCT激发下产生开壳中间体（Fig. 1），其中包括由M-Cl、M-N3、M-OR、M-COR和M-R（R = 烷基）键均裂产生的氯自由基、叠氮基自由基、烷氧自由基、酰基自由基和烷基自由基。此外，由于M-O2CR键的光解会诱导生成的羧基自由基并脱羧，这使得其可以作为烷基或芳基自由基前体。值得注意的是，在亲电性质金属的范围中并没有Ag(II)。Ag(I)是一种强氧化剂（E°= 0.799 V vs NHE），而Ag(II)具有d9电子构型，且其4d亚层具有空轨道，因此具有更强的氧化能力（E°= 1.980 V vs NHE）。如Fig. 1所示，如果可以通过可见光激发LMCT跃迁来填充这个空轨道，则可以利用Ag(II)金属中心作为有效的光氧化剂来活化具有挑战性的底物。最近，美国哈佛大学Daniel G. Nocera课题组利用[Ag(bpy)2(TFA)][OTf]和Ag(bpy)(TFA)2络合物中的Ag(II)中心的亲电性，通过可见光诱导来活化三氟乙酸盐。生成的三氟甲基自由基可与多种芳烃反应来构建C(sp2)-CF3键。最后，反应通过电化学再生Ag(II)络合物从而实现光/电催化循环。值得注意的是，此方法还可以扩展到其它长链全氟烷基羧酸盐（RFCO2-; RF = CF2CF3或CF2CF2CF3）（Fig. 1）。下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。

（图片来源：Science）

首先，作者合成了一系列Ag(II)络合物[Ag(bpy)2][OTf]2 (1[OTf]2)、[Ag(bpy)2(O2CCF3)][OTf] (2[OTf])和Ag(bpy)(O2CCF3)2 (3)，并通过单晶衍射对其结构进行了表征（Fig. 2A-2C）。此外，作者还合成了与1[OTf]2具有类似结构的[Cu(bpy)2(TFA)][PF6] (4[PF6])（Fig. 2D），但在λexc = 370 nm引发下并没有通过UV-vis-NIR, 19F NMR和FTIR观察到明显的改变，由此说明了Ag(II)的重要作用。

（图片来源：Science）

随后，作者利用可见光对2[OTf]和3的LMCT光化学进行了研究。2[OTf]在MeCN中，21.3 oC光解（λexc = 450 nm），使得所有可见吸收特征在30分钟内完全消失，而3在700 nm处则显示出一个波段的生长，且在继续照射后消失（Fig. 3A, 3B）。此外，从Fig. 3C的谱图可以看出，使用草酸铁光度法测定2[OTf]的光反应量子产率是可观的（分别在450、405和340 nm处增加4.2%、6.8%和14.9%），由此表明LMCT跃迁的能量发生在~350 nm处。此外，作者对3进行测定也观察到了类似的光化学和量子效率趋势。

（图片来源：Science）

接下来，作者使用稳态和时间分辨振动光谱法观察了TFA•的脱羧反应。Fig. 4A为3的光解溶液的稳态红外光谱。3中的TFA配体（不对称和对称羧基分别在1693和1408 cm-1处伸缩振动）和CF3（1196 cm-1）的信号在3的溶液照射下消失，同时CO2（2341 cm-1）的振动特征增加。此外，作者在2[OTf]的光解溶液中观察到类似的脱羧过程。Fig. 4C展示了激光激发3的时间分辨红外（TRIR）光谱。在纳秒时间尺度上，由于TFA的不对称羧基和CF3伸缩振动随着CO2的增加而消失，因此观察到信号的消失。Fig. 4C中振动特征的时间演化接近仪器响应函数，其TFA•脱羧的下限为k > 2.5 x 107 s-1。

（图片来源：Science）

CF3•自由基很容易与芳烃反应形成C(sp2)-CF3键。2[OTf]在过量苯（75当量）的存在下会光解会生成三氟甲苯(PhCF3)（36%）、TFA和TFAH的混合物（52%）。每1.0当量的2[OTf]会产生约0.5当量的PhCF3，这表明在CF3•自由基与苯加成后生成的芳基自由基会在TFA作碱的条件下被第二当量的Ag(II)氧化，从而生成PhCF3和TFAH（Fig. 5）。此外，光氧化还原反应可以通过在照射过程中的电化学再生1[OTf]，从而实现光/电催化。循环伏安（cyclic voltammetry）实验表明1[OTf]2在E0 = 930 mV时存在可逆单电子氧化还原波。

（图片来源：Science）

接下来，作者对此转化的底物范围进行了考察。如Fig. 6所示，一系列芳烃以及杂芳烃，如2,6-二甲基吡啶和1-甲基吡唑均可兼容此体系，在TFA存在下，1[OTf]2（2.0 equiv）的LMCT照射下，以23-85%的产率得到相应的氟烷基化芳香族化合物。值得注意的是，当使用Ag(bpy)(O2CCF2CF3)2 (5)和Ag(bpy)(O2CCF2CF2CF3)2 (6)反应时（Fig. 2E, 2F），还可以分别实现芳烃的五氟乙基化和七氟丙基化。此外，当使用芳烃（1.0 equiv），Na(TFA)（10.0 equiv），1[OTf]2（2.5 mol %），bpy（0.5 equiv），MeCN中，440 nm光照下，Pt(+)/Ni(-), 1.3 V vs Fc+/Fc，室温反应6小时可以实现此反应的催化转化，以11-68%的产率得到相应的氟烷基化产物。

（图片来源：Science）

总结

Daniel G. Nocera课题组发展了一种新的光/电氧化还原方法，利用Ag(II)耦合Ag(I)氧化的LMCT光化学实现了全氟烷基自由基与芳烃的结合。Ag(II) -O2CRF键的均裂可顺利生成Ag(I)和全氟烷基自由基，其可用于C(sp2)-CF3键的构建。Ag(II)中心的高亲电性对于在温和的光化学条件下由相应的羧基生成全氟烷基自由基是必不可少的。此光/电氧化还原方法在仅需要可见光下即可实现TFA或其它氟烷基羧酸盐的LMCT活化，而不需要TFA的预官能化或使用Kolbe电解。通过在Ag(I)再氧化为Ag(II)的电化学条件下进行LMCT光化学反应，可以建立一个有效的光/电催化循环，直接使用全氟烷基羧酸盐作为全氟烷基化试剂来实现转化。鉴于全氟烷基羧酸对氧化的惰性，此转化可以扩展到其它能够连接到Ag(II)中心的惰性底物。

文献详情：

Brandon M. Campbell, Jesse B. Gordon, Elaine Reichert Raguram, Miguel I. Gonzalez, Kristopher G. Reynolds, Matthew Nava, Daniel G. Nocera*. Electrophotocatalytic perfluoroalkylation by LMCT excitation of Ag(II) perfluoroalkyl carboxylates. Science,2024, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4919.

长按扫码，查看原文