Nature Chem.：在光化学反应里，来点量子力学

在网传的自然科学专业“鄙视链”中（下图），量子力学是高高在上的存在。如此高冷的专业，也摆脱不了成为网红的命运，像“量子纠缠”、“薛定谔的猫”这些与量子力学有关的词汇，在网络上、影视剧中随处可见，毕竟大家都知道，“遇事不决，量子力学”嘛。这也让无良商家看到了机会，只要翻书几分钟就能背下几十万字的“量子波动速读”，可以提高某种生物学功能的“量子内裤”，美容养颜瘦脸祛皱的“量子面膜”……一波又一波，群魔乱舞。当然，今天并不是要和大家讨论量子力学（也没这个本事~~），笔者要介绍的是一篇Nature Chemistry 的光化学文章，不过其中却或多或少涉及一点量子力学。

图片来源：Sheldon本惇 / 微信公众号：Sheldon42

光驱动的[2+2]环加成反应可用于合成具有重要生理活性的四取代环丁烷衍生物，一直受到关注。虽然有几种可能的机理实现这一过程，但三线态激发态更有利，原因有三：（一）底物范围不受电化学势的限制；（二）三线态有足够长的寿命为分子间环加成提供时间；（三）三线态可通过三线态敏化剂（例如过渡金属复合物、有机发色团等）在可见光激发下经三线态-三线态能量转移（TT EnT）产生，从而最大幅度减少副反应发生。

在Bach、Meggers和Yoon等人的努力下，通过使用氢键模板剂、手性二级胺、分子催化剂手性配体、Lewis酸共催化剂，对映选择性的分子间[2+2]光催化环加成反应取得了长足的发展。不过仍然有两个明显的问题尚未得到解决，即非对映选择性和区域选择性。首先，由于位阻效应的原因，传统的[2+2]环加成反应是偏向生成anti-型产物（下图），但这种位阻效应并不能很好的排除syn-型产物的产生，以至于非对映选择性比较差。虽然在共价/非共价模板剂辅助下能选择性得到syn-型产物，但要从这些模板剂解离下来比较困难且收率低。而固态反应虽提供了一种合成syn-型产物的简单途径，但不能直接在光催化中应用，也不能实现化学选择性和对映选择性。其次，发生头对头（HH）还是头对尾（HT）的[2+2]环加成反应取决于三线态双自由基中间体的相对稳定性，而这本身很难从外部条件进行干预，更何况涉及两种可能性质接近的烯烃的异分子间的选择性的HT的[2+2]环加成反应，目前还没有被报道。上述两种挑战结合的结果是，异分子间发生[2+2]环加成反应得到syn-HT型四取代环丁烷产物无异于天方夜谭。

传统光催化的[2+2]环加成反应主要得到anti-型产物。图片来源：Nat. Chem.

由此可见，要想实现同分子甚至异分子间的syn-HH或syn-HT型产物必须要克服底物本身所具有的位阻和电子效应。近日，美国西北大学的Emily A. Weiss教授（点击查看介绍）课题组利用适当尺寸的胶体CdSe量子点（QDs）在可见光催化下实现了4-乙烯苯甲酸类底物的同分子或异分子间[2+2]环加成反应（下图），能够以高达98％的可调控区域选择性（在HH和HT之间）和非对映选择性得到了之前很难得到的syn-HH或syn-HT型环丁烷衍生物，并且该胶体很容易从反应体系的混合物中分离出来，还能反复使用至少3次，同时催化活性没有明显降低。该反应的独特之处就在于胶体CdSe QDs与底物羧酸产生弱相互作用克服了位阻效应，同时在可见光作用下适当尺寸的胶体CdSe QDs可选择性地给特定的有机分子三线态提供能量，从而实现异分子间[2+2]环加成反应。

Emily A. Weiss教授及本研究亮点。图片来源：美国西北大学官网及Nat. Chem.

CdSe QDs是尺寸仅有几个纳米的半导体纳米粒子。“相比金属纳米粒子，这些QDs的行为更像有机分子，”Weiss教授说，“电子挤在如此之小的空间中，因此它们的反应性遵循量子力学的规则。我们利用的正是这一点，以及纳米粒子表面的模板作用。”^[1]

下图列举了7种4-乙烯基苯甲酸类底物进行的同分子间或异分子间的[2+2]环加成反应。对于同分子间的[2+2]环加成反应，结果显示胶体CdSe QDs催化体系能选择性地得到syn-型产物（d.r. > 30:1），而另两种常见的光催化剂Ru(bpy)₃²⁺和Ir(ppy)₃则主要得到anti-型产物且选择性较低（d.r. < 3:1），同时无法实现底物4-7的转化，这可能是经历了先前报道的激发态底物的快速顺式/反式异构化过程，而且研究人员确实在反应后的混合物中观察到了高浓度的顺式异构体。对于底物3与 1或者2进行的异分子间[2+2]环加成反应，胶体CdSe QDs催化体系可以选择性地得到syn-型产物（d.r. > 40:1），而其他两种光催化剂则得到anti-型产物且选择性较低（d.r. < 2:1）。这暗示4-乙烯基苯甲酸类底物上的羧基可能与胶体CdSe QDs的表面上的Cd²⁺发生了可逆结合的相互作用，进一步通过分子间π-π相互作用得到syn-型加成产物。此外，空白实验表明在没有CdSe QDs或光照的情况下，反应不能发生。

同分子间或异分子间的[2+2]环加成反应。图片来源：Nat. Chem.

更有意思的是，当两种烯烃底物的三线态能量相差不大时，研究人员发现通过选择合适尺寸的胶体CdSe QDs可以选择性地发生异分子间的[2+2]环加成反应，而传统的光催化剂则无法避免同分子间[2+2]环加成反应的发生。例如底物1和3的三线态能量分别为2.25 eV和2.51 eV，由于这两种底物的能量相近，Ir(ppy)₃催化剂无法将它们有效的光敏化，因此有23%底物3同分子偶联的anti-型副产物生成，当使用1.0 nm CdSe QDs也会得到31%同分子偶联的syn-型副产物，而使用1.4 nm CdSe QDs时，该副产物的比例则不到5%，这一结果表明与特定底物的选择性能量重叠是实现异分子间[2+2]环加成反应的关键。

选择性实现异分子间[2+2]环加成反应。图片来源：Nat. Chem.

正如前文所说，异分子间通过[2+2]环加成反应得到syn-HT型产物对于传统的光催化反应来说是天方夜谭。如下图所示，研究人员发现两种不同烯烃在Ir(ppy)₃催化下基本很难发生反应，即使反应也是主要得到anti-HH型产物，更遑论syn-HT型产物了。然而，胶体CdSe QDs催化体系除了能得到syn-HH型产物外，还能通过调节底物羧基的位置来选择性地生成syn-HT型产物（如25、27和30），即该反应的区域选择性是可调控的，而与底物的电子性质无关。当然，有时候这种区域选择性可能比较一般，产率也较低，例如2和22反应得到syn-HT型产物30的收率仅为10%（d.r. 只有6:1），这是由于底物22从单线态跃迁到三线态的过程中与胶体CdSe QDs表面上空间轨道重叠不是太好的缘故（下图b）。

区域选择性调控实现[2+2]环加成反应。图片来源：Nat. Chem.

总结

Emily A. Weiss教授课题组在固态反应的基础上，发现4-乙烯基苯甲酸类底物在胶体CdSe QDs表面上可通过自组装以及三线态-三线态能量转移实现非对映选择性的[2+2]光催化的环加成反应，解决了传统光催化剂的局限性，得到了syn-HH型产物，进一步地还能通过选择合适尺寸的胶体CdSe QDs和调整羧基位置，选择性地激发其中一种底物，实现区域选择性的异分子间[2+2]环加成反应得到syn-HT型产物。不过该方法也有明显的短板，即底物必须含有羧基，且对羧基的位置也有相对较高的要求，因此在应用上可能略有受限。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Regio- and diastereoselective intermolecular [2+2] cycloadditions photocatalysed by quantum dots

Yishu Jiang, Chen Wang, Cameron R. Rogers, Mohamad S. Kodaimati, Emily A. Weiss

Nat. Chem., 2019, 11, 1034-1040, DOI: 10.1038/s41557-019-0344-4

导师介绍

Emily A. Weiss

https://www.x-mol.com/university/faculty/407

参考资料：

1. Visible light and nanoparticle catalysts produce desirable bioactive molecules

https://news.northwestern.edu/stories/2019/10/visible-light-and-nanoparticle-catalysts-produce-desirable-bioactive-molecules/

（本文由峰千朵供稿）