【有机】Nature Chemistry：电子给体-受体复合物参与的光活化芳烃C-H官能团化

利用可见光激活有机化合物的合成方法已经实现了诸多的“不可能”，这一方法改变了传统的反应途径并促进了新的催化方法的发展。这些方法的魅力在于能够利用光子辐射的能量得到自由基等高能量的中间体。然而，由于大多数有机分子不能对可见光有效吸收，因此需要昂贵的染料或过渡金属催化剂来吸收低能量的可见光并得到具有反应活性的自由基。为了克服这一内在限制，人们利用两个无色有机分子之间的电荷转移相互作用形成有色的电子供体-受体（EDA）复合物。EDA复合物在光照射下可以发生从供体到受体的单电子转移（SET），并在离去基团的离去后产生活泼的自由基。近日，曼彻斯特大学David J. Procter课题组以三芳基磺盐作为EDA复合物的受体，通过与胺给体结合使用实现了对原生芳环的C-H官能团化。相关成果发表在Nature Chemistry （DOI: 10.1038/s41557-022-01092-y）。

早期利用EDA复合物的方法仅限于使用电性相反的底物来确保有效的电荷转移相互作用。为了使这一策略更具普遍性，人们使用具有氧化还原活性组分的底物，这一部分既是离去基团，也是EDA复合物的受体。这使得EDA复合物的形成脱离了底物自身的限制，但很难产生芳基自由基。目前通过EDA复合物活化生成芳基自由基的方法仅限于使用缺电子的芳基卤化物作为受体，适用范围十分有限。因此，通过EDA复合物活化广泛地生成芳基自由基的问题亟待解决。

为了解决这一问题，作者以三芳基磺盐为受体，这些化合物既容易受到SET的影响，也容易通过Pummerer反应制得。作者认为，无论芳香族底物的电子性质如何，磺酸盐部分既可以作为受体在电荷转移相互作用中与合适的供体结合，也可以作为离去基在光诱导的SET中发挥作用，只需使用现成的有机分子和可见光即可实现芳烃C-H官能团化。作者利用原位生成的三芳基磺盐与三芳胺给体（催化量）作用得到促进蓝光吸收的EDA复合物，在光激活下实现了芳基自由基的形成，进而实现了羰基化合物的α-芳基化和芳烃的区域选择性C-H氰化，这在没有过渡金属催化剂、有机金属试剂和有毒氰化物的情况下是很难实现的。

（图片来源：Nat. Chem.）

首先作者进行了给体的筛选。三芳胺具有廉价易得、可以通过取代基调节其电子性质、对应的自由基阳离子相对稳定以及适用于SET还原的优点。最终经过一系列的筛选，供体G的效果最好，产率为61%。随后作者使用G进一步筛选反应条件，确定1,2-DCE为最适溶剂且此时胺给体的负载可降至10 mol%。在没有G的对照实验中，4的产率为34%。这可能是磺酸盐2和烯醇硅醚3之间额外的电荷转移相互作用，也可能是C-S键光解产生芳基自由基导致了竞争反应。最后，在TEMPO存在下进行反应时，观察到几乎无产物产生，证实了该反应经历了自由基机理。

（图片来源：Nat. Chem.）

随后作者在最优条件下进行了底物拓展。首先是与烯醇硅醚的烷基化反应，对于芳烃部分，取代基的电子性质和位置都可兼容，对反应产率没有过大影响。对于烯醇硅醚部分，烯醇芳基硅醚取代基的电子性质对反应影响不大，换作杂环也可兼容。对于烯醇烷基硅醚而言，羰基α位取代基的数目对反应结果有所影响。1,2-二取代烯醇硅醚也可反应，但是产率有所下降。总的来说，该反应官能团耐受度高。

（图片来源：Nat. Chem.）

随后，作者考察了这一方法在氰化反应中的可能性。经过一系列筛选工作，作者发现PXT⁺、3当量叔丁基异氰化物、25 mol%供体I和2当量NaOAc在DMSO中于蓝光照射下以71%产率得到目标产物。同时作者也对该反应进行底物拓展，发现其产率良好，官能团适用范围广泛，这也是首次克服了氰化反应中叔丁基异氰化物对过渡金属的依赖。

（图片来源：Nat. Chem.）

（图片来源：Nat. Chem.）

最后，作者对反应机理进行了探究。首先，UV-vis证实了三芳基磺盐与胺之间存在电荷转移相互作用，且1:1的磺酸盐与三芳胺混合物的吸收谱最为强烈。接着，作者在G的催化下利用一系列芳基磺酸盐与3反应测试不同磺酸盐与胺供体的电荷转移相互作用的不同。如结果所示，杂环三芳基磺盐82和83是光化学反应的合适底物，尽管产量较低。但二苯磺酸盐84及四氢噻吩85反应效果不佳，后者的结果表明磺酸盐部分中杂芳环的存在是确保其与电子供体产生电荷转移相互作用的关键。

结合前人的经验与大量机理实验，作者提出了以下机理：首先，通过Pummerer反应对芳烃磺基化得到I，随后，因缺电子特性与合适的三芳胺供体（如G）形成光活性EDA复合物。蓝光照射EDA复合物引发胺对I的SET，生成电子给体的自由基阳离子（G·+），进而产生芳基自由基。自由基捕获剂与芳基自由基作用得到II，再被氧化生成阳离子III和G。G继续参与整个循环，III经过后续处理转为目标产物。

（图片来源：Nat. Chem.）

总结：

曼彻斯特大学David J. Procter课题组成功实现了对EDA复合物参与的光化学反应范围的扩大，摆脱了原有限制，为实现芳烃C-H官能团化提供了新的可能。

文献详情：

Abhishek Dewanji, Leendert van Dalsen, James A. Rossi-Ashton, Eloise Gasson, Giacomo E. M. Crisenza, David J. Procter*. A general arene C–H functionalization strategy via electron donor–acceptor complex photoactivation. Nat. Chem. DOI: 10.1038/s41557-022-01092-y

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