Angew. Chem.：电化学拓宽黄素光催化范围——光电催化非活化烷基醇的氧化

近年来，光化学和电化学在有机合成中的应用，极大地推动了有机合成方法学的发展。光化学反应借助激发态光敏剂独特的氧化还原性质，可以实现低浓度高活性中间体的生成，这一策略已经广泛应用于电中性氧化还原反应中。而要实现氧化型或还原型的光催化反应，不可避免需要使用可能产生当量废物的氧化剂或还原剂。电化学使用电子作为氧化或还原试剂，可以很好的解决这一问题。理论上，电化学同样可以实现高活性中间体的生成，然而持续地电解可能会导致高活性中间体在电极表面的聚集，造成电极的钝化和活性中间体副反应的发生。将光化学和电化学结合，利用光化学可以生成低浓度活性中间体和电化学可以替代传统的氧化剂或还原剂的特点，可能可以实现传统光电化学难以实现的转化，然而这一策略在有机合成中的应用仍然非常有限。

黄素（Flavin）作为生物体内一些氧化还原酶辅基的重要组成部分，可以参与到生物体内多种氧化还原代谢过程。由于其异咯嗪（Isoalloxazine）骨架独特的光电性质，黄素及其衍生物（例如，核黄素四醋酸酯（Riboflavin tetraacetate, 简称 RFT））作为一类重要且易于获得的有机光敏剂，近年来其在有机合成中有着越来越广泛的应用。借助激发态的RFT及其衍生物较高的氧化电势，可以实现氧气作为末端氧化剂条件下的光催化苄位C-H键、苄醇、苄胺、硫醚和羧酸的氧化反应。传统的这类反应通常经历了底物与激发态光敏剂发生单电子转移的过程，然而，受限于激发态RFT有限的氧化电势和RFT的骨架难于修饰的特点，这些反应通常局限于含有供电子基团的底物。例如，长期以来，氧气条件下RFT催化醇的氧化反应一直局限于苄醇类底物，烷基醇的氧化问题一直没有得到有效解决。

最近，美国康奈尔大学的Song Lin教授（点击查看介绍）课题组，基于光电共催化的策略，成功实现了RFT催化烷基醇的氧化反应。传统氧气作为末端氧化剂的RFT催化苄醇的氧化反应中，硫脲的加入可以加速反应，但是这一体系并不适用于烷基醇的氧化。文中作者通过紫外可见分光光度法、荧光淬灭、循环伏安法、核磁和对照实验等方法对氧气条件下硫脲参与的RFT催化烷基醇的氧化机理进行研究，发现导致烷基醇不兼容的原因是反应的副产物H₂O₂和RFT敏化的单线态氧气会造成硫脲催化剂的分解失活。基于这一机理认识，作者使用电化学氧化代替氧气，避免单线态氧气和H₂O₂副产物的生成，成功实现了RFT和硫脲催化剂对烷基醇进行电化学驱动的光化学氧化反应。后续对硫脲作用的机理研究发现该反应经历了不同于传统RFT催化苄醇氧化的历程：首先，激发态的RFT*与二烷基取代的硫脲发生电子和质子转移生成硫自由基4和半还原态的(RFT·)-H；随后，硫自由基可以攫取烷基醇α位的氢原子生成ketyl自由基5；紧接着，ketyl自由基5与半还原态的(RFT·)-H发生氢原子转移过程生成目标产物和还原态的RFT-H₂，最后，RFT-H₂在阳极表面被氧化再生RFT，完成催化循环。

综上，Song Lin课题组基于对氧气条件下RFT催化醇氧化的反应机理研究认识，利用光电共催化策略，成功将RFT催化醇的氧化反应的底物范围拓展至烷基醇。这一光电共催化策略，可以避免当量氧化剂或还原剂产生的副产物对反应的干扰，将为后续的有机合成发法学发展提供新思路。相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.。

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Electrochemistry Broadens the Scope of Flavin Photocatalysis: Photoelectrocatalytic Oxidation of Unactivated Alcohols

Wen Zhang, Keith Carpenter, Song Lin

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910300

导师介绍

Song Lin

https://www.x-mol.com/university/faculty/48471

（本稿件来自Wiley）