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米测MeLab
2024-05-22
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研究背景
电化学为增值精细化学品提供了一种可持续的合成途径，控制多个电子供体和受体之间的电子转移方向是控制氧化还原反应化学选择性的基本任务。特别是在最近开发的合成光化学和电化学方案中，光催化剂或电极与基材之间氧化还原电位的精确匹配构成了化学选择性转化的基础。
关键问题
1、为了实现电子转移，通常需要寻求替代机制规避热力学障碍为了在存在更容易还原或氧化的官能团的情况下实现热力学上不太有利的目标的直接电子转移，通常寻求替代机制来规避这种热力学障碍，例如氢原子转移、配体到金属的电荷转移，和质子耦合电子转移。2、直接电子转移更具吸引力但缺乏化学选择性控制手段尽管替代机制取得了进步，但直接电子转移因其不需要额外的介体或预功能化而仍然具有吸引力，然而，除了匹配氧化还原电位之外，缺乏其他化学选择性控制手段限制了其更广泛的适用性。 3、CF3基团的直接电子转移途径需要极其苛刻的条件使用TFA作为CF3源的三氟甲基化是直接电子转移中选择性挑战的典型例子，其脱羧途径受到CF3COO−过高的氧化电位的阻碍，直接电子转移途径需要强氧化剂、高电解电位和紫外线照射等苛刻条件，限制了其在大规模合成中的实际应用。
新思路
有鉴于此，浙江大学莫一鸣、宣军等人描述了一种离子屏蔽异相光电催化策略，以施加质量转移限制，从而逆转热力学确定的电子转移顺序。该策略通过使用三氟乙酸盐来实现敏感（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。该方法具有稳定的光阳极稳定性(约380小时)，良好的底物适用范围，以及使用光电化学流通池实现100克合成的规模能力，证明了所开发方法的实用性。作者提出了离子屏蔽层策略，通过（杂）芳烃的自由基三氟甲基化验证了策略的可行性，并阐明了选择性背后的机制。作者进一步优化了WO3光阳极的效率和稳定性，在约380小时的连续反应中获得了可接受的产量。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，设计了一个光电化学微反应器验证了反应的放大可行性。1、通过离子屏蔽策略实现直接电子转移中化学选择性控制通过在异质电子转移表面引入屏蔽层对热力学上更有利的反应施加质量转移限制是一种克服类似化学选择性挑战的新兴策略，作者设想并证实了通过屏蔽策略控制直接电子转移中的化学选择性。2、证实了离子屏蔽策略实现敏感（杂）芳烃的脱羧三氟甲基化的实用性作者证实了所提出的离子屏蔽方法具有稳定的光阳极稳定性，良好的底物适用范围，及100克合成的规模能力，证明了所开发方法的实用性。作者利用带负电的CF3COO–通过静电吸引富集在正光阳极异质表面上，自然形成离子屏蔽层。吸附的CF3COO–预计会限制易于氧化的基材向光阳极表面的传质，从而阻止它们与光阳极的电子转移。选择（杂）芳烃的自由基三氟甲基化作为本研究中的目标，检验了离子屏蔽异相光电催化（IonShield-hPEC）策略，证实了非均相光电催化系统完全逆转了选择性。接着，作者进一步阐明了选择性背后的机制，结果表明，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，电子转移的化学选择性将由热力学氧化还原电位决定。 基于对所开发的IonShield-hPEC 三氟甲基化方法的机理理解，作者进一步优化了WO3光阳极的效率和稳定性，以便将其投入实际应用。IonShield-hPEC 的一个突出优势是使用易于分离和可回收的异质光电催化剂，从而降低了与催化剂使用和下游净化相关的成本。优化后的光阳极稳定性大大提高，并在约380小时的连续反应中获得了可接受的产量。即使在光阳极腐蚀后，用新鲜的Mo-WO3(TFA)催化剂重新加载使用过的FTO玻璃也可以恢复原有的活性，从而降低了更换光阳极的成本。作者推测这种稳定性的提高归因于Mo-WO3TFA上的疏水氟原子将微量水分子排除在光阳极表面，从而抑制了PWS的形成。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，证明了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）的底物与方案兼容。此外，一系列吡啶酮、香豆素、2-吡喃酮和吡咯也可以顺利进行三氟甲基化，缺电子的卤化物取代的基材也具有良好的耐受性。此外，作者采用了混合放大和横向扩展策略验证了反应的放大，设计了一个光电化学微反应器（PEC-mReactor）。该PEC-mReactor首次应用于两步克级合成41，还演示了DNA碱基类似物42的合成。六并行PEC-mReactor中的大型光电阳极在测试的80小时反应时间内保持稳定，总共合成了106.96g的分离产物21，产率为63％。 总之，本工作展示了通过使用三氟乙酸酯实现敏感（杂）芳烃的脱羧三氟甲基化。所展示的离子屏蔽-hPEC 脱羧三氟甲基化应该会激发异相光电化学的进一步发展，以在极端氧化电位下实现选择性电子转移。Yi Xin Chen, et al. Scalable decarboxylative trifluoromethylation by ion-shielding heterogeneous photoelectrocatalysis. Science, 2024, 384(6696):670-676. DOI: 10.1126/science.adm8902https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm8902
