大连化物所王峰课题组:氯自由基介导的光催化芳基醚C(sp3)−H氧化
近日,《催化学报》在线发表了中国科学院大连化学物理研究所王峰研究员团队在光催化碳氢键氧化领域的最新研究成果。该工作报道了通过氯原子的氢转移(HAT)过程,实现了温和条件下光催化芳基醚C(sp3)−H键选择氧化反应,高收率合成了一系列甲酸苯酯类化合物。论文第一作者为:刘玉庭,论文共同通讯作者为:刘慧芳副研究员和王峰研究员。
背景介绍
饱和碳氢键氧化是合成化学和化学工业中一类重要的化学反应。然而,饱和C(sp3)−H键的键离解能(BDEs)较高、极性较弱,导致底物难以活化和转化效率较低等问题。已报道的芳基醚C(sp3)−H键官能团化反应通常采用计量的过氧化物氧化剂,或者通过单电子氧化和碱促进的去质子化进一步构建C−C/C−N键,产物选择性较低,也带来了一些不利的环境影响。近年来,光催化C(sp3)−H键氧化因其操作简便、条件温和等优点,已发展成为一种实用且多样的催化研究工具。因此,利用有机分子光氧化还原催化过程来实现温和条件下芳基醚C(sp3)−H键选择氧化是一种有效途径,并有望将其应用于有机合成和药物开发。
主要创新点
1. 发展了一种利用氧气作为氧化剂,在可见光驱动下选择性地将芳基醚C(sp3)−H键氧化成甲酸苯酯类产物的新方法。
2. 研究表明二氯甲烷在光催化氧化体系中可以原位形成Cl-,且多种氯源(如盐酸、无机氯盐和有机氯化物)均能够高效活化得到氯自由基。
3. 实现了不同取代基芳香醚C(sp3)−H键选择性氧化制备酯类产物(收率最高至89%)。
4. 通过自由基捕获实验检测到氯自由基和苯甲醚烷基碳自由基(•CH2OPh),证实了氯自由基HAT过程诱导的C−H键氧化反应机理。
主要研究结果
图1. 光催化芳基醚C(sp3)−H键氧化(a)溶剂对反应的影响;(b)氢离子(H+)的检测;(c)氯源对反应的影响。
要点:
该芳基醚C(sp3)−H键氧化反应在单一的二氯甲烷(CH2Cl2)或乙腈(MeCN)溶剂中只能得到痕量产物,但是在二氯甲烷和乙腈的混合溶剂中反应效果较好,目标产物甲酸苯酯(2a)的收率显著提高到33%(图1a);同时,使用pH指示纸检测到了二氯甲烷原位生成的盐酸(H+离子,图1b)。多种无机盐氯离子添加剂也表现出显著的促进作用(图1c)。
图2. 光催化芳基醚氧化反应底物拓展。
要点:
底物拓展研究表明,多种链状芳基醚和不同取代(如给电子基和吸电子基)芳基醚均可发生选择氧化反应,高收率地合成了一系列官能团丰富的甲酸苯酯类化合物(图2)。
图3. 机理研究。
要点:
机理实验研究表明,芳基醚C(sp3)−H键的断裂是反应过程的决速步骤(图3a,b),并且通过自由基捕获实验证实体系中的氯自由基和烷基碳自由基物种(图3c,d),说明了反应经历自由基路径。由图3e可知,该反应条件下异丙基苯基醚(1r)也可以缓慢地氧化得到相应的乙酸苯酯(2b,12%)和苯酚(3a,10%),这一结果可能是由于异丙基的空间位阻较大和异丙基自由基的稳定性产生的。此外,同位素实验(18O)揭示了甲酸苯酯类化合物氧的来源(图3f)。
催化机理阐释
图4. 氯自由基介导的光催化芳基醚C(sp3)−H键氧化反应机理。
要点:
基于文献报道和以上研究,我们提出了氯自由基HAT诱导光催化芳基醚C(sp3)−H键氧化的可能的主要路径和反应机理(图4)。首先,吖啶光催化剂(PC)在光照条件下得到激发态PC*(+2.20 V),激发态PC*氧化氯离子(Cl-)生成氯自由基(Cl•)。由于氯自由基较高的氧化能力(+2.03 V vs SCE)和对氢原子的亲和力,能够容易地与底物(1a)发生氢原子转移(HAT)过程,有效活化芳基醚C(sp3)−H键,攫取氢原子得到相应的烷基碳自由基(•CH2OPh)中间体(I),然后中间体(I)继续被单线态氧(1O2)或超氧自由基(O2•-)进一步氧化,最终得到甲酸苯酯(2a)。
全文小结
1. 本文发展了氯自由基介导的光催化芳基醚C(sp3)−H键氧化的新策略,该方法以吖啶盐(Mes-10-phenyl-Acr+-BF4-)为光催化剂,氧气为氧化剂,利用氯自由基的HAT过程,实现了不同取代基芳香醚C(sp3)−H键选择性氧化制备酯类产物(收率最高至89%)。
2. 研究发现该光催化体系中二氯甲烷溶剂可以原位形成Cl-,且多种无机盐氯离子添加剂也表现出显著的促进作用。
3. 通过机理研究,证实了氯自由基HAT过程诱导的C−H键氧化反应。
4. 该方法为温和条件下芳基醚C(sp3)−H键氧化以及其他醚的C−H键官能团化反应提供了一种新思路。
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