浙江大学莫一鸣、宣军 Science：光电催化芳烃的脱羧三氟甲基化-上海善施科技

在氧化还原反应中控制化学选择性的根本任务是控制多个电子供体和受体之间电子转移的方向。电化学为高附加值精细化学品提供了一条可持续的合成路线，但往往受限于电极之间的竞争性电子转移和不同于目标位点的氧化还原敏感功能。

据此，浙江大学莫一鸣研究员课题组、宣军研究员课题组合作报道了一种离子屏蔽的非均相光电催化策略，以施加传质限制，从而逆转热力学确定的电子转移顺序。该策略通过使用廉价但相对惰性的三氟甲基(CF3)源三氟乙酸酯来实现敏感(杂)芳烃的脱羧三氟甲基化。由三氟乙酸根阴离子静电吸附在钼掺杂的三氧化钨(WO3)光阳极上形成的离子屏蔽层，阻止了基底和光生空穴之间不期望的电子转移。所开发的方法的实用性得到了证明，其光阳极稳定性（约380小时）强，具有良好的底物适用范围，并且可以使用光电化学流通池实现100克合成。

2024年5月9日，相关论文以题为“Scalable decarboxylative trifluoromethylation by ion-shielding heterogeneous photoelectrocatalysis ” 论文发表在Science上。一作为陈一新、何宇晨和高勇，莫一鸣研究员、宣军研究员为通讯作者。

图1. 背景和Ionshield-Hpec

使用三氟乙酸（TFA）作为三氟甲基（CF3）源代表了直接电子转移中这种选择性挑战的一个突出例子。反式脂肪酸被认为是一种很有前途的CF3可用性的来源，它可以进行单电子转移（SET）氧化以产生CF3自由基与CO2作为唯一的副产物。然而，这种看似高效的脱羧途径受到CF3过度氧化电位的阻碍。因此，直接电子转移途径需要极其恶劣的条件，例如强氧化剂，高电解电位和紫外线辐射，即使对于带有吸电子基团的难以氧化的底物，也具有中低反应性能。

替代CF3试剂如CF3I，Togni试剂和Umemoto试剂开发促进三氟甲基化温和条件下，但他们往往非常昂贵或产生大量浪费，从而限制了大规模合成的实际实现。本文首先试图建立一个非均匀电子表面，可以驱动CF3COO-的直接SET氧化。同时，基于半导体的多相光电催化是一种被广泛研究用于太阳能驱动水分裂和废水修复的技术，在温和条件下产生高氧化光激发孔的能力似乎是一种理想的选择。结果显示，带负电荷的CF3COO-可以通过静电吸引在正光阳极非均匀表面富集，自然形成离子屏蔽层。吸附的CF3COO-可以限制更容易氧化的衬底在光阳极表面的传质，从而阻止它们与光阳极的电子转移（图1D）。为了验证这种提出的离子屏蔽多相光电催化（IonShiell-hPEC）策略，选择了（杂）脱羧三氟甲基作为本研究的目标转化。

图2. 反应发展及机理研究

选择均三甲苯1作为模型底物，因为与CF3COO–相比，它的氧化电位（+1.88VvsSCE）低得多（图2A）。正如预期的那样，直接电解导致1而不是CF3COO–的氧化，通过碳正离子途径产生三氟乙酸异丙叉酯4（图2B）。所研究的光电催化剂在这种均质电子转移过程中也有利于1的氧化。

为了研究IonShield-hPEC策略，作者选择了酸性稳定的n型无机半导体TiO2和WO3作为光阳极，生长在掺氟氧化锡（FTO）玻璃上。这种异相光电催化系统完全逆转了选择性，在温和的反应条件下，所需的三氟甲基化产物（3）的产率高达69%（图2B，条目7和8）。此外，更敏感的三甲氧基7苯2（+1.55V对SCE）（图2A）也能顺利地进行三氟甲基化（产率78%）。光照射和电压偏置都是驱动这种三氟甲基化的必要条件（图2C，D）。光阳极脱羧（WO3价带电位，相对于SCE>2.75V）和阴极HER（相对于SCE<-0.4V）之间的氧化还原电位差（图2D）超过了3.2V，这是仅通过光催化或电催化难以实现的。

接下来，作者进一步阐明这种选择性背后的机制（图2E-H）。吸附在带正电的光阳极表面上的CF3COO–阴离子形成屏蔽层（内亥姆霍兹平面），阻碍光生空穴和亚状态之间的电子转移。在直接电解中，阳极表面上的CF3COO–阴离子屏蔽层未能防止基材氧化，因为外亥姆霍兹平面内的电势足以促进电子从1穿过屏蔽层到达电极表面。这凸显了异质光电化学和电化学之间电子转移驱动力的机制差异，分别涉及光生空穴和电势。对于具有足够氧化电位用于CF3COO–活化的均相光电催化剂，电子转移的化学选择性将由热力学氧化还原电位决定。

图3. 光阳极效率和稳定性优化

选择钼（Mo）、钴（Co）和镍（Ni）作为掺杂元素，并且Mo被认为是性能最好的掺杂剂（图3A）。进一步调节Mo掺杂浓度提高了光电流密度（反应速率），1％Mo掺杂实现了最大电流密度。然而，WO3因PWS逐渐溶解会产生的光腐蚀。为了提高光阳极的稳定性，修改了Mo-WO3的水热制备方案，用TFA代替常用的盐酸（HCl）。这种轻微的修改大大提高了稳定性，并在大约380小时的连续反应中提供了可接受的产率（图3E）。这种稳定性的提高归因于Mo-WO3(TFA)上的疏水性氟原子排除了光电阳极表面的微量水分子，从而抑制了PWS的形成。

图4. IonShield-hPEC三氟甲基化的底物范围

通过获得优化的Mo-WO3(TFA)光阳极，作者探索了IonShield-hPEC脱羧三氟甲基化的底物范围（图4）。具有给电子烷基或烷氧基取代基的各种芳烃和杂芳烃环被证明是该方案中合适的底物。带有氧化敏感部分（例如胺、酚羟基和醛）的底物与该方案兼容。此外，一系列吡啶酮、香豆素、2-吡喃酮和吡咯可以顺利进行三氟甲基化。

这种IonShield-hPEC三氟甲基化的实际实施必须解决FTO玻璃集电器的高电阻率带来的可扩展性挑战。首先通过在大尺寸FTO电极上沉积疏水性环氧树脂保护金属母线来降低电阻率（图5A）。然后采用了微反应器技术中常用的混合放大和缩小策略，通过增加模块化WO3-FTO电极的数量来提高反应器的吞吐量，电流密度从边缘到中心仅下降10%（图5B）。最后，设计了一个光电化学微反应器（PEC-μReactor）（图5C）。该PEC-μReactor首先应用于41的两步克级合成（图5D）。为了进一步提高该技术的合成通量，将六个PEC-μReactor并行化为一个模块化工艺橇（图5E）。六并行PEC-μReactor中的大型光电阳极在测试的80小时反应时间内保持稳定（图5F），并提供令人满意的批次间变化（2.6%标准偏差）。总共合成了106.96g的分离产物21，产率63％。