刚发3篇Nature，光催化再发一篇Science

微著

2020-04-20

第一作者：Gerardo M. Torres, Yi Liu（共同一作）

通讯作者：Bruce A. Arndtsen

通讯单位：麦吉尔大学

研究要点：

1. 光催化方法通过自由基反应进行反应

2. 该反应中使用了Pd/DPE-Phos光催化剂

3. 该反应对一些惰性烷基、芳基底物、β-肽氨基酸有兼容性，扩展了底物种类，这是因为反应活化能降低导致

研究背景

偶联反应是现代有机化学中重要的工具，催化循环中的氧化加成过程切断化学键过程和还原消除形成化学键的步骤有一定矛盾（氧化加成速率提高抑制还原消除），McGill大学的Arndtsen等开发了通过可见光催化激发方法，通过同时降低氧化加成和还原消除过程中的活化能，缓解了这种矛盾过程。通过光激发Pd催化剂，实现温和条件中实现羰基化反应，扩展了反应底物范围，实现对通常反应性较弱的卤化物及亲核试剂反应，得到了具有较大使用价值的酰氯、酯、酰胺、酮等产物。

解决了室温条件实现对惰性底物的羰基化反应。

有鉴于此，McGill大学Bruce A. Arndtsen等通过Pd催化剂可见光激发，发现这种催化反应对碳卤化学键的切断和生成能同时改善（通过自由基反应过程），该羰基化反应对多种烷基、芳基卤化物（溴、碘）有兼容性，对一些惰性底物实现了室温羰基官能团化。

要点1. 研究出发点

传统的催化循环中氧化加成/还原消除中的矛盾性：氧化加成步骤中对富电子底物、非完全配位中心金属、底物中的弱化学键更有利；还原消除步骤中对缺电子底物、高立体位阻、化学键较强的底物更有利。特别的，在烷基溴化物、CO、醇的三组分加成反应中，Pd/IMes催化体系在紫外光或可见光催化进行反应时，底物局限在有限的亲核试剂中。

要点2. 反应实施

反应优化。对邻甲基碘苯、CO、2，6-二异丙基苯胺作为底物，在2.5 mol %Ir光催化剂、5 mol %[Pd(ally)Cl]₂、20 mol %DPE-Phos配体催化体系，加入Bu₄NCl、2，6-二叔丁基吡啶进行反应。

图1. 反应设计scheme

要点3. 反应机理

可见光的作用：通过TEMPO自由基捕获反应验证了还原消除步骤中的芳甲酰自由基中间体，通过Pd催化剂和对甲氧基芳基卤化物在CO气氛中的光催化反应，监测了氧化加成步骤，证明光照作用提高了光催化反应速率，能够有效的生成酰氯物种。光催化作用对氧化加成反应有改善，通过对Pd(0)催化剂激发，在降低氧化加成步骤中起到降低活化能的作用，通过硫醇自由基捕捉实验验证了这种Pd(0)和芳基碘化物之间单电子过程。

总之，以上实验发现了光催化作用在氧化加成、还原消除两种反应中都起到作用，并首次发现了Pd(0)在光催化自由基加成反应中的应用。该过程中Pd(0)中间体在亲核试剂存在时，通过单电子转移生成烷基自由基、芳基自由基，同时Pd(0)氧化为Pd(I)，在随后的CO插入反应中降低了反应活化能，提高了催化反应效率。

图2. Pd催化剂的催化机理：在氧化加成、还原消除步骤中机理

要点4. 底物拓展

底物拓展。对正丁烷基碘、异丁烷基碘、异丙基碘、1-烯丁烷基碘、环戊烷基碘、1-氯丁烷基碘有兼容性；对环己基溴、金刚烷基溴、2，2-二甲氧基溴乙烷、2-氰基溴乙烷等溴化物有兼容性。 

图3.底物拓展

要点5. 反应在合成中的应用

对β-氨基酸、惰性芳烃等底物有兼容性：实验显示N-溴乙基邻二甲酰亚胺和β-肽类氨基酸衍生物、CO之间的反应实现了80 %的产率（在30 ℃的苯中反应48 h），在对2，4，6-三甲氧基苯、噻吩、N-甲基吡咯惰性C-H底物能够进行羰基化反应，产率分别为92 %，86 %，70 %。

图4. 反应合成应用

要点6. 前期工作

这项工作可能和之前对酰氯、Pd催化的羰基化相关研究相关。

图5. Decarboxylation with Carbon Monoxide: The Direct Conversion of Carboxylic Acids into Potent Acid Triflate Electrophiles, Angew. Chem. Int. Ed. 2019,58, 5085-5089.

图6. Functional Group Transposition: A Palladium-Catalyzed Metathesis of Ar–X σ-Bonds and Acid Chloride Synthesis, J. Am. Chem. Soc. 2018,140, 10140-10144.

图7. A palladium-catalyzed C–H functionalization route to ketones via the oxidative coupling of arenes with carbon monoxide, Chem. sci. 2020,11, 3104-3109.

Science刊发对工作的评论

都柏林大学Lvana Fleischer等在本期Science上以“Light expands a catalyst's repertoire”为题对本工作进行评价。Fleischer评价说，该工作中对传统羰基化反应中弱反应性的惰性亲核试剂有较好的兼容性，实现了在室温条件中对惰性底物的反应（“This approach enabled the reaction of two challenging substrates at room temperature”）。

图8.光催化羰基化反应和传统羰基化反应的反应机理区别

总结

该工作体现了光催化剂和热催化不同的特点。目前光催化主要的应用在于尝试通过光化学方法替换热化学反应，对多种有氧化还原反应的热催化反应转变为单电子过程进行，但是很少有研究能体现出光催化和热催化的反应性区别，这个研究提供了展现光催化方法对反应深度调控进行对反应性的可能性，对实现与热催化有区别的光化学反应有广泛意义。

参考文献及原文链接

Gerardo M. Torres, Yi Liu, Bruce A. Arndtsen*. A dual light-driven palladium catalyst: Breaking the barriers in carbonylation reactions，Science, 2020, 368, 6488, 318-323

DOI: 10.1126/science.aba5901

https://science.sciencemag.org/content/368/6488/318.full

Prasad Kathe, Ivana Fleischer*. Light expands a catalyst's repertoire, Science, 2020, 368, 6488, 242-243

DOI: 10.1126/science.abb2104

https://science.sciencemag.org/content/368/6488/242

作者简介

Bruce A. Arndtsen，于1988年在卡尔顿学院获得学士学位，随后于1993年在斯坦福大学获得博士学位（导师：Lisa McElwee-White）。1993-1995年在加州大学伯克利分校做铱催化C-H键活化相关博士后研究，在1995年开始就职于加拿大McGill大学。Arndtsen教授的研究主要是过渡金属催化反应，此外开发了手性阳离子分子（chiral anions）在手性合成中的应用。最近，Arndtsen教授还开发了新型1，3-偶极环化反应（phospha-Münchnones）；CO分子作为羰基的傅-克酰基化反应。

主页: http://arndtsen-group.mcgill.ca/