【JACS】:新型光催化剂HATCN催化的连续三光子激发SNAr反应实现氟代芳烃脱氟氨基化
最近,印度理工学院孟买分校Debabrata Maiti组和IISER Mohali的Debashis Adhikari组,应用新型强氧化性HATCN为光催化剂,实现芳基氟化物的光催化脱氟氨基化,可替代经典SNAr反应。该SNAr反应所用大π离域芳香核光催化剂HATCN,在可见光激发下会得到多种稳定氧化还原态,既能做氧化剂也能作还原剂,从而能在温和电势下实现连续还原。机理研究表明,反应的催化循环经历了罕见的连续三光子激发(consecutive three photon involvement)。相关研究成果于2025年6月10日在线发表在J. Am. Chem. Soc.上。
常用光催化剂:传统光催化剂包含昂贵过渡金属(例如铱),具有长寿命三重态电荷转移态、光稳定性和可调性质,因而是光化学反应优选催化剂。但因为含有过渡金属,无法满足制药行业所需的无金属条件。有机染料分子也是常见的光催化剂,具有无金属特征,且可以通过设计实现宽电势范围和高效反应动力学。但是,设计新的强效有机光催化剂,对光化学反应的发展仍然极具价值。
SNAr反应:传统芳香亲核取代反应(SNAr),可以得到高价值芳香烃,但通常需要使用强碱等条件,且局限于特定芳基氟化物。电光化学催化反应和吖啶光催化反应(Figure 1a),也可以实现SNAr反应,但不兼容点中性和缺电子芳基氟化物、杂芳基氟化物,具有官能团耐受性差等缺点。因而需要发展出一种新型光催化剂参与的光催化SNAr反应,以解决这些问题。
(Figure 1,图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
新光催化剂设计:如Figure 1b所示,将6个氰基引入平面刚性缺电子的芳烃HAT中(1,4,5,8,9,12-hexaazatriphenylene),增强芳烃缺电子性,得到新型光催化剂HATCN。HATCN在OLED和有机电子材料中应用广泛,作为光催化剂还尚未有案例报道。
反应初始研究(Figures 1c-1e):如Figures 1c所示,初步研究显示,应用HATCN作光催化剂,能以中等收率得到脱氟氨基化产物9和35,验证了反应的可行性。Figures 1d和1e的研究表明,反应对氟苯是二级反应,HATCN存在多个氧化还原态。
条件筛选:通过SI中对光催化剂、光源、氧化剂、溶剂、反应时间、试剂当量等参数进行的细致优化,得出优选反应条件为:HATCN作光催化剂、过硫酸钾作氧化剂、34W 440 nm blue LEDs作光源、三氟乙醇TFE作溶剂。
(Scheme 1,图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
底物拓展:如Scheme 1和2所示,反应兼容各种芳基氟化物,包括电中性氟苯、带各种基团的单取代氟苯和双取代氟苯、吡啶氟化物、嘧啶氟化物,和各种亲核试剂,包括带各种基团的吡唑、三唑、氨基甲酰胺、脂肪胺。且对芳基双氟化物(48、52、62),受基团或氮原子影响,存在单氟取代选择性。应用氨基甲酰胺作胺源,可以得到芳基伯胺产物。反应耐受底物上众多敏感官能团,包括酯基、磺酰氯、酰胺、无保护苄醇、苄氯、醛基、肟、氰基、甲基酮、三氟甲基、卤素等。总之,此光化学SNAr反应,具有优秀的底物普适性和官能团耐受性。
(Scheme 2,图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
应用研究:如Scheme 3所示,多种生物活性分子、天然产物、药物衍生物,在此光化学SNAr反应条件下,都能实现脱氟氨基化,以可观产率得到对应产物82-91。
(Scheme 3,图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
可行性机理:通过Scheme 5和SI中的机理研究实验,作者提出如Scheme 4所示可行性反应机理:光催化剂HATCN,在第一次光子激发下生成激发态光催化剂HATCN*;HATCN*经单电子转移氧化第一个氟苯,生成自由基阴离子HATCN˙ˉ和氟苯自由基阳离子中间体I;HATCN˙ˉ在第二次光子激发下生成激发态光HATCN˙ˉ*,再经单电子转移氧化第二个氟苯,生成阴离子HATCN²ˉ和氟苯自由基阳离子中间体I;HATCN²ˉ在第三次光子激发下生成激发态HATCN²ˉ*; I则会被氮亲核试剂原位进攻,生成自由基中间体II;II被HATCN²ˉ*还原后得到产物,并再生HATCN˙ˉ;HATCN˙ˉ被氧化成HATCN,完成整个催化循环。
(Scheme 4,图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
机理研究实验:为了研究反应机理,作者开展了如Scheme 5所示相关机理研究实验:1)Scheme 5a实验所得EPR谱图和Scheme 5c的紫外可见光谱,证实反应中生成双阴离子HATCN²ˉ;2)Scheme 5b的紫外可见光谱,证实反应中存在HATCN˙ˉ;3)Scheme 5e的荧光淬灭图,证实在HATCN激发态下发生了单电子转移;4)Scheme 5e的半强度光和全强度光对比图,可发现其产物收率存在三次方关系,这表明反应需要三光子激发;5)Scheme 5f的实验,发现HATCN激发态寿命只有3纳秒;6)Scheme 5g控制实验,表明HATCN˙ˉ无力关闭催化循环,需要光照下被还原剂例如钠或氟苯还原成HATCN²ˉ,才能关闭催化循环,光照是反应必须的。
(Scheme 5,图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
应用新型光催化剂HATCN,Debabrata Maiti等人报道了芳基氟化物参与的光催化脱氟氨基化SNAr反应。反应兼容电中性、缺电子和杂环芳基氟化物,具有优秀的官能团耐受性。反应中,中性和单阴离子HATCN作为氧化剂,但双还原HATCN却作为还原剂。作者期望这一涉及连续三光子激发的新机制,有助于解决具有挑战性的光化学反应。
论文信息:
Consecutive Multiphoton-Mediated Defluorinative Amination of Fluoroarenes
Argha Saha, Monojit Roy, Shyamali Maji, Gourab Rana, Debabrata Maiti* and Debashis Adhikari*
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