【人物与科研】郑州大学陈晓岚/於兵教授团队ACS Catal.：聚合增强光催化策略在C(sp3)-H键官能团化反应中的应用

导语

发展绿色高效的合成方法学是合成化学的终极目标，利用可见光实现高效、绿色、可持续的光催化有机合成是该领域的发展方向。目前广泛使用的均相光催化剂（金属络合物或有机染料）尽管具有出色的催化活性，但存在价格昂贵、金属残留、易光漂白、难以回收利用等缺陷，极大地限制了其在医药化工领域的应用。近年来，共轭有机聚合物光催化剂因其优异的化学稳定性、结构多样性及可回收性等优点而备受关注。郑州大学陈晓岚教授、於兵教授课题组开发了一系列基于小分子光催化剂4CzIPN的共轭聚合物，并以此作为光催化剂实现了一系列C(sp³)-H键官能团化反应，其中CPP3作为最优光催化剂，实现了87个目标产物合成，收率高达99%。对照实验与TD-DFT计算结果表明，通过降低聚合物单线态和三线态间的能量差，增强了系间窜跃过程，从而提高了该催化剂的三线态催化效能，相关研究成果发表在ACS Catal.上（DOI: 10.1021/acscatal.1c03765）。

陈晓岚/於兵课题组简介

陈晓岚/於兵课题组一直致力于绿色有机合成化学、有机杂原子化学方面的研究；迄今为止，相关研究在J. Am. Chem. Soc.、ACS Catal.、Green Chem.、Org. Lett.、Chem. Comm.、ChemSusChem、Org. Chem. Front.、ACS Sustainable Chem. Eng.等国际知名期刊上发表论文多篇。

前沿科研成果

聚合增强光催化策略在C(sp³)-H键官能团化反应中的应用

如图1所示，作者首先通过亲核取代反应合成了两种溴代的4CzIPN，再分别与三种端炔化合物，通过Sonogashira-Hagihara交叉偶联反应，高效制备出6种4CzIPN型聚合物，并命名为CPP1-6。

图1. Synthetic procedure for conjugated polymeric photocatalysts（CPP1-6）

（图片来源：ACS Catal.）

为探究聚合物在有机合成中的应用，作者以N-苯基四氢异喹啉1a和亚磷酸二乙酯2a为模板反应进行条件优化，最终在最优条件下能以82%的收率得到目标产物3aa。随后，作者进行了底物适用性研究，通过CPP3的异相光催化作用，实现了多种C(sp³)-H的官能团化反应，表现出良好的基团兼容性（图2）。

图2. Substrate scope.

（图片来源：ACS Catal.）

随后，作者继续考察了上述光催化剂催化C(sp³)-H的氧化反应的能力，并顺利实现了相应羰基化合物（12b-12q）的合成。值得一提的是，该策略还可用于天然生物碱Corydaline（12v）的全合成，以三步54%总收率实现目标产物的合成。同时，作者还成功完成了对三种上市药物Ticlopidine、Clopidogrel、Eplerenone（12w-12y）和三种甾体类天然产物类似物（12z-12ab）的羰基化结构修饰（图3）。

图3. Substrate scope

（图片来源：ACS Catal.）

催化剂的回收试验实验结果表明，CPP3作为光催化剂可以至少循环5次以上，催化效率无明显降低，表明该催化剂具有良好的可循环性能（图4）。

图4. Recycling experiments of CPP3

（图片来源：ACS Catal.）

为了进一步了解CPP3和4CzIPN单体间的催化性能差异，作者进行了TD-DFT理论计算（图5）。计算结果表明，CPP3由于聚合增强光催作用，促进分子内系间窜跃过程，使其具有更小的S_1-T₁能量差（0.020 eV）。自旋-轨道耦合计算证明该催化剂系间窜跃速率常数比逆向系间窜跃速率更快，推动高能量、长寿命的三线态T₁的形成，最终实现了反应的高效催化。

图5. TD-DFT Calculations

（图片来源：ACS Catal.）

为了获得合理的反应机理，作者开展一系列EPR实验，证明了体系中活性氧物种为超氧自由基阴离子，光催化剂具有明显的光电响应能力。荧光淬灭实验表明底物1a为光催化剂的淬灭物（图6）。

图6. EPR experiments and Stern-Volmer quenching experiments.

（图片来源：ACS Catal.）

基于上述实验结果和文献报道，作者提出了反应机理（图7）。首先基态光催化剂（⁰PC）在可见光激发下跃迁到S₁态（¹PC），通过系间窜跃快速到达T₁态（³PC），³PC与底物1a通过SET过程，生成中间体A和PC^•−, PC^•−随后再被O₂氧化回到基态完成催化循环，并伴随O₂^•−的释放。中间体A则与O₂^•−通过HAT过程生成亚氨正离子中间体B；中间体B与亲核试剂或HOO⁻通过后续反应实现目标产物的合成。

图7. Proposed mechanism

(图片来源：ACS Catal.)

该成果近期以“Polymerization-Enhanced Photocatalysis for the Functionalization of C(sp³)-H Bonds”为题发表在ACS Catal.（DOI: 10.1021/acscatal.1c03765）上，硕士生朱闪闪和博士生刘琰为本文的共同一作，陈晓岚教授和於兵教授为本文共同通讯作者。该论文第一单位为郑州大学化学学院绿色催化中心。论文作者：Shan-Shan Zhu^#, Yan Liu^#, Xiao-Lan Chen,* Ling-Bo Qu, and Bing Yu*。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、中原学者基金、河南省优秀青年基金、河南省高等学校重点科研项目及郑州大学专项基金的资助。

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