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Nature Chem.:能量转移——金/光氧化还原双催化体系的新玩法

长久以来,化学性质不活泼的金(Au),一直被认为是种惰性的金属。不过,随着近二十年来人们发现金可以高效率和高选择性地促进多种环化反应发生,金作为催化剂的作用越来越受到重视,尤其是光氧化还原催化协同金催化进行有机合成,更是近年来的研究热点。这种双催化体系使作为π路易斯酸的金能够通过Au(I)/Au(III)氧化还原催化新型的反应。但是,由于Au(I)的氧化电位较高,一般需要使用易于还原的自由基源(例如芳基重氮盐),通过自由基加成和单电子转移(SET)过程来获得Au(III)氧化态(图1)。这一缺点限制了金/光氧化还原双催化体系的应用范围。


2016年,巴黎索邦大学(Sorbonne Université)的Louis Fensterbank教授领导的研究团队使用金/光氧化还原双催化体系实现邻炔基苯酚与芳基重氮盐的芳基化环化反应,得到苯并呋喃类化合物(J. Org. Chem., 2016, 81, 7182)。他们设想,如果在该反应中能够用碘代炔替代芳基重氮盐,就可能进行炔基化环化反应,实现名义上C(sp)2–C(sp)交叉偶联反应,从而进一步拓宽金/光氧化还原双催化体系的应用范围。不过,碘代炔的反应性远低于芳基重氮盐,而且还很可能需要设计一种新的Au(I)配合物的活化模式以促进C–C键的形成。要知道,Au(I)配合物并不容易被氧化加成,目前只有使用特殊的亲电试剂及在某些特定反应条件下才能够实现。经过大量工作和探索,Fensterbank教授团队近期又有了新的突破。他们使用铱(Ir)光催化剂,在可见光照射下激发到三重态,通过能量转移的方式激活乙烯基Au(I)中间体,从而与碘代炔进行氧化加成,还原消除后产生C(sp)2–C(sp)偶联产物。机理和模型研究都支持反应过程中发生了能量转移,而不是经由常见的氧化还原途径,表明Au(I)配合物的活化模式比较独特,同时有效避免Au(I)/Au(III)氧化还原电位较高的问题。基于这种策略,他们在蓝光LED照射下,在催化量的Au(I)和Ir(III)配合物存在下,由邻炔基苯酚和碘代炔合成了多种炔基苯并呋喃衍生物。相关论文发表于Nature Chemistry,第一作者为夏中华博士。

图1. 金/光氧化还原双催化体系催化炔烃的加成反应。图片来源:Nat. Chem.


作者以2-(对-甲基苯乙炔基)苯酚(1a)和碘乙炔基苯(2a)为反应物制备苯并呋喃衍生物3aa(图2)为模型反应来优化反应条件。结果表明,在室温和蓝光光照条件下在除空气的乙腈溶剂中当反应条件为(p-CF3Ph)3PAuCl([Au-CF3])(5 mol%)、Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6 ([Ir-F])(1 mol%)、1,10-菲咯啉(10 mol%)、碳酸钾(2.5 equiv.)时苯并呋喃3aa的产率可达71%(图2,entry 5)。

图2. 炔基化环化反应的条件优化。图片来源:Nat. Chem.


随后作者研究了该过程的反应机理。首先作者基于反应物的还原电位和荧光猝灭实验排除了炔基自由基的生成。当以1-氟-4-(碘乙炔基)苯(2b)代替2a参与反应时,2b的还原电位(E1/2(2b) = -1.47 V vs. SCE)远高于处于激发态的[Ir-F]的还原电位(E*1/2 =-0.89 V vs. SCE),因而通过光还原形成炔基自由基几乎不可能。此外,在荧光猝灭实验中,当[Ir-F]处于激发的三重态(3[Ir-F])时,2b不能将其猝灭,也证明反应中没有生成炔基自由基,这也排除了反应中光催化电子转移的可能。参考以往报道,作者猜想反应中可能出现D型乙烯基金(III)中间体(图1),这种中间体可以发生还原消除从而生成苯并呋喃产物。为了证明该猜想,作者制备了乙烯基金(I)配合物6(即图1中的E型中间体)。核磁实验表明,在没有光照条件下,室温3小时后62b不发生反应。蓝光照射下,室温2小时后得到低于10%的产物苯并呋喃,过夜光照得到33%的产物。加入[Ir-F]光催化剂可以明显改变实验结果,3.5小时光照后可以几乎定量的得到苯并呋喃3ab(图3)。[Ir-F]与6的混合物稳态荧光光谱实验表明,随着[Ir-F]溶液中6的浓度增加,[Ir-F]荧光信号降低,这说明6可以淬灭3[Ir-F]。由双分子猝灭速率常数可得反应是扩散控制的,这与Dexter能量转移机理符合。更重要的是作者利用理论计算对该过程的研究结果证明3[Ir-F]与6存在能量转移使6处于激发态(36),36可能再与2a反应,而3[Ir-F]与2a之间不存在能量转移。基于实验和理论计算的结果,作者推测了该反应的机理(图4)。

图3. 可能的反应中间体。图片来源:Nat. Chem.

图4. 推测的反应机理。图片来源:Nat. Chem.


为了研究该反应的适用范围,作者基于该方法制备了多种苯并呋喃衍生物,产率为25-83%(图5),而且当利用乙烯基和芳香基与金形成的配合物催化该类反应时同样也可以进行。另外,作者还研究了不同类型的底物,比如该方法可用于合成2,3-吲哚衍生物,这些结果证明了该体系并不是一种特例,而是具有一定的普适性。只不过该体系在底物为富电子的芳基炔烃和烷基炔烃时产物产率略低。

图5. 反应底物拓展。图片来源:Nat. Chem.


总结


Fensterbank教授团队提出了一种基于光氧化还原催化与金催化结合的策略实现C(sp)2-C(sp)键的构建,由邻炔基苯酚和碘代炔合成多种炔基苯并呋喃衍生物。基于实验和理论计算作者提出该反应过程基于能量转移进行,避免了Au(I)氧化电位过高给金/光氧化还原双催化体系带来的限制。这一新发现大大扩展了金/光氧化还原双催化体系可应用的范围。

Fensterbank教授(右一)、夏中华博士(中)、Hashmi教授(左一)于2018年国际金催化大会(巴黎)的合影。图片来源:夏中华博士


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Photosensitized oxidative addition to gold(I) enables alkynylative cyclization of o-alkylnylphenols with iodoalkynes

Zhonghua Xia, Vincent Corcé, Fen Zhao, Cédric Przybylski, Agathe Espagne, Ludovic Jullien, Thomas Le Saux, Yves Gimbert, Héloïse Dossmann, Virginie Mouriès-Mansuy, Cyril Ollivier, Louis Fensterbank

Nat. Chem., 2019, DOI: 10.1038/s41557-019-0295-9


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