京都大学与东京科学大学Chem. Sci.：有机光氧化还原催化实现苄醇单分子质子耦合电子转移-上海善施科技

质子耦合电子转移（PCET）是一种质子和电子同时或依次转移的化学过程（图 1A），在生物过程和能量转换技术中发挥着重要作用。反应中氧化剂和碱对PCET的反应机理有很大影响。目前利用PCET键裂解的研究还不多。Knowles课题组报道了基于PCET机制，在温和的条件下直接从原料中生成游离烷基自由基中间体（图 1B-I）。最近，吖啶鎓盐可作为一种强单电子氧化剂，但实际报道的例子有限。从醇中生成的烷基自由基已被成功应用于C-C键的形成（图 1B-II）。与传统的氢原子转移（HAT）机制相比，多步PCET通过对光氧化还原催化剂和质子转移试剂进行物理分区，覆盖了更广的热力学范围，改变了化学选择性，为反应条件提供了更大的灵活性。然而，这种方法在熵方面是不利的，而且分子间的多重相互作用往往会降低反应效率。在这种情况下，建立一种单分子有机光催化PCET工艺不仅能更有效地生成烷氧基自由基，而且还能去除以前必不可少的布朗斯特碱。在此，京都大学（Kyoto University）Yuto Sumida与东京科学大学（Institute of Science Tokyo）Hirohisa Ohmiya利用二苯甲酮衍生催化剂通过无布朗斯特碱PCET过程，促进芳香醇通过β断裂生成烷基自由基（图 1C）。二苯甲酮及其衍生物在S1和T1状态下表现出紧密匹配的能量，促进了几乎定量和快速的系间窜越。这一特性使这些分子在光照射下能迅速形成激发三重态，从而通过电子或能量转移发生氧化和还原反应，并通过氧自由基发生HAT过程。相比之下，本研究中描述的前所未有的单分子PCET是通过在二苯甲酮的羰基和醇之间形成氢键网络，然后在激发态进行单电子氧化来实现的。相关成果发表于期刊Chem. Sci.。

（图 1，图片来源：Chem. Sci.）

首先，作者将苄醇1a作为模型底物，以芳香醛2a的产率来评估催化剂活性（表 1）。结果发现，在二苯甲酮（PC1）（E_red=+1.53 V vs. SCE）和亚化学计量2,4,6-三异丙基苯硫酚（TRIP硫醇）的催化下，2a产率为61%。噻吨酮（PC2）（E_red=+1.43 V vs. SCE）表现出更高的活性。强氧化剂蒽醌（PC3）（E_red=+1.98 V vs. SCE）能以90%的产率得到产物2a。硅桥联二苯甲酮衍生物PC4（E_red=+1.43 V vs. SCE）的活性与PC2和PC3相当。二取代二苯甲酮催化剂PC5更高的产率是因为俘获效应，通过PCET稳定了三重态酮基和质子化自由基中间体。因此，作者设计并合成了推拉式硅桥联二苯甲酮PC6，在PCET促进的β裂解中表现出最有效的催化活性。

（表 1，图片来源：Chem. Sci.）

考虑到光氧化还原反应中光催化剂和底物的氧化还原电位是催化活性的关键因素，作者计算了二苯甲酮衍生物和其他光催化剂还原淬灭的氧化还原电位，以优化反应条件（表 1）。然而并没有观察到与产率有明显的相关性（图 2A）。催化剂的紫外可见吸收光谱结果表明，波长可能会影响催化效率。随后，作者评估了PC6的三重态和氧化还原电位（图 2B和D）。图 2C中显示了PC6的LUMO轨道分布。二苯甲酮的激发态作为双自由基，C-O键长度从1.22 Å延长到1.33 Å（图 2E）。

（图 2，图片来源：Chem. Sci.）

通过单分子光-PCET过程，PC6催化富电子苄醇的β裂解反应表现出极佳的官能团兼容性（图 3A）。反应是在优化的条件下进行的：以二氯甲烷为溶剂，在390 nm的蓝色LED下照射两小时，以5 mol%的PC6为催化剂，以亚化学计量的TRIP硫醇为助催化剂。几乎所有添加剂对目标转化都没有显著影响，添加剂均得到定量回收。接下来，作者研究了PC6催化反应底物范围（图 3B），具有不同取代基的各种醇均可完成转化表明了该反应的多功能性。然后，作者探索了这种方法从脂肪醇中生成烷基自由基的潜力（图 3C）。在重新筛选Giese加成的光催化条件后，作者发现PC2的效果最好。作者将此归因于Giese加成的独特机理稍微改变了所需的光催化性能。丙烯酸酯3a和乙烯基砜3b的β-烷基化反应顺利进行。作者还探索了吉斯加成中的醇范围。利用醇1a和1c（可产生叔丁基和环己基自由基），Giese加成法可产生高产率的相应加合物（4f和4g）。

（图 3，图片来源：Chem. Sci.）

为了深入了解反应机理，作者进行了多项实验和光物理分析。以三氟乙酸处理的列吡啶为底物研究了迷你型反应（图 4A）。作者的方案即使在酸性条件下也能发挥作用，从而扩大了其通用性。在自由基捕获试剂TEMPO下反应生成了叔丁基自由基加合物7，表明形成了烷氧基自由基，然后β-C-C键裂解生成了烷基自由基（图 4B）。每种成分以及混合物的紫外可见光谱结果说明没有形成EDA复合物（图 4C）。底物1a可以成功猝灭PC2的荧光（图 4D）。考虑到PC6 [E_red(PC*/PC˙^-) =+1.43 V vs. SCE]和1,2-二甲氧基苯[E_ox =1.42 V vs. SCE]的氧化还原电位，底物的SET氧化是可行的，但对于其他氧化电位较高的苯甲醇（如1m-1s），SET效率可能会大大降低。

为了进一步了解反应机理，作者使用计算方法评估了合理的路径和能量分布图（图 4E）。通过过渡态TS1形成烷氧基和酮基的途径被认为涉及协同电子/质子转移(CEPT)或逐步电子转移后质子转移(ET/PT)。然而，使用DFT计算来区分这两种途径具有挑战性。根据实验、分析和计算分析，作者提出了图 4F所示的催化机理。光催化剂激发态与苄醇衍生物发生单分子PCET反应，生成烷氧基自由基，然后发生β-C-C键裂解，生成烷基自由基和醛。与硫醇发生HAT反应，形成硫基自由基。最后，酮基自由基和硫基自由基之间发生ET/PT，催化剂再生。最佳催化剂PC6的O-H键解离自由能（BDFE）与底物醇的O-H键解离自由能非常接近，从而实现了高效的氢原子转移。硫醇助催化剂的BDFE较低，突出了其作为HAT供体的作用，有利于光催化剂在催化循环过程中再生。

（图 4，图片来源：Chem. Sci.）

总之，作者开发了一种二苯甲酮类催化剂催化下的无布朗斯特碱、单分子PCET工艺，有助于含富电子芳醇生成烷基自由基。无碱PCET能使质子官能团（包括羧酸）的底物发生β裂解，这可能是由于二苯甲酮的激发三重态与羟基之间形成了氢键网络。这种方法比传统方法更有效、更灵活，有望应用于C-C键的形成和其他有机转化。

论文信息

Organic photoredox-catalyzed unimolecular PCET of benzylic alcohols

Tomotoki Matsuo, Masaki Sano, Yuto Sumida* and Hirohisa Ohmiy*

Chem. Sci.

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