克服金属卟啉催化的光化学限制:红光驱动的C−N交叉耦合

摘要:作者开发了一种双镍/光氧化还原催化的C−N与低能光的交叉偶联反应。强劲的旋转−轨道耦合允许Os光催化剂通过自旋禁止激发直接进入三重态。这种转变的相对较低的消光系数允许光更深地穿透反应介质,从而实现批量放大

C−N交叉偶联是一种普遍存在的转化,其效用通过Ni-PC的开发得到进一步扩展,因为它能够在温和条件下实现无配体芳基胺化。这种转变的普遍性导致了它被医学和工艺化学家迅速广泛采用。然而,这些转化中使用的高能近紫外(NUV)和可见光限制了其批量缩放的容易程度,因为光会通过反应介质衰减。(PC = photoredox catalysis

高能NUV和蓝光在金属卟啉催化中的使用还存在官能团不相容性和偏离目标反应性的问题,这是由于底物和反应中间体对这种光的竞争性吸收(图1a)。

在具有高能光的双Ni/PC系统中,芳基卤化物的加氢脱卤和镍络合物的降解形成镍黑已被频繁报道。作者试图开发一种互补的方法,该方法利用较低的能量波长将光催化反应与光降解路径解耦,从而实现更高效的催化(图1b)。

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对反应条件的初步筛选表明,Os(phen)3(PF6)2是红光驱动的Ni/PC氧化还原C-N交叉偶联的有效光催化剂,以NiBr2·3H2O为镍源,1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷(DABCO)为碱,DMSO为溶剂,对照实验表明,光、光催化剂和镍对反应都至关重要(表1)。

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作者筛选了此反应的底物范围,具有不同电子的芳基溴化物在邻位、间位和对位可有效地进行取代(图2a)。含有杂原子和N个杂环的芳基溴化物也能很好地耐受(图2b。含有光敏官能团(如硝基和顺式烯烃)的底物成功偶联,而起始材料或产物没有降解或异构化,而当使用440nm光时观察到底物分解(图2c。降低光的能量增加了所需产物的产率,并在所有情况下减弱或消除了加氢脱卤。将光的能量降低到740nm进一步放大了这种效应(图2d)。对于亲核试剂,环状仲胺(图2e)、伯胺、苄基胺和α-叔胺(图2f)都反应良好。肼、磺酰胺(图2g)和苯胺亲核试剂需要加入吡咯烷以实现高收率。

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作者通过功能化高度修饰的药物样骨架来证明此方法的用处,其中许多骨架已被证明如果使用先前报道的光化学和热方法进行交叉偶联具有非常大的挑战性。

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作者提出了反应可能的机理。研究发现,NiI在溶液中通过多种途径快速氧化为NiII,因此,必须存在激发的光催化剂,以持续将NiII还原回NiINiI物种(II)开始经历氧化加成(OA)以形成NiIII物种(III)。胺配体的脱质子化得到NiIII酰氨基络合物(IV),然后还原消除(RE)提供苯胺产物并再生NiIV)(图4)。

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总之,作者开发了一种双镍/光氧化还原催化的C−N与低能光的交叉偶联反应。强劲的旋转轨道耦合允许Os光催化剂通过自旋禁止激发直接进入三重态。这种转变的相对较低的消光系数允许光更深地穿透反应介质,从而实现批量放大。作者的方法在化学和能量上都是温和的;低能光源使条件与光敏官能团和扩展π-系统兼容。并且作者观察到形成的加氢脱卤产物的量显著减少,这归因于芳基的波长依赖性镍键断裂。机制研究与电子转移途径一致,从而实现了NiI/III循环。反应的范围非常广泛,包括富电子、中性和缺乏电子的底物以及各种氮亲核试剂。


DOI: 10.1021/jacs.2c09745


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