Macmillan：光致氧化还原-过渡金属三重催化策略活化惰性烷烃

副标题：光-氧化还原-过渡金属三重催化策略活化惰性烷烃C-H键

提到光催化氧化还原催化，很多人自然会想到普林斯顿大学的有机化学家戴维·W·C·麦克米伦教授。作为现代光氧化还原催化的先驱之一，麦克米伦教授在该领域取得了许多令人瞩目的成果。从2008年的光-氧化还原-有机小分子双重催化（图1）到2014年的光-氧化还原-过渡金属双重催化（图2），到2015年的光-氧化还原-有机小分子双重催化）分子-有机小分子三重催化（图3），然后是2016年的光氧化还原-有机小分子-过渡金属三重催化（图4），从光催化剂Ru到Ir，从小分子副催化剂）胺/烯胺催化剂到氢原子转移催化剂硫醇，奎宁环，从过渡金属催化剂Ni到Cu，从自由基加成和取代反应到自由基-自由基结合反应，再到自由基偶联反应，从C-C键的形成到C-O，C-N毫无疑问，MacMillan 教授在过去十年中一直引领着光氧化还原催化领域的发展，他的每一个新发现都预示着一个全新的研究方向。

图1. Macmillan 在光氧化还原-有机小分子双重催化方面的代表作。图片来源：Science, 2008, 322, 77

图2. Macmillan 在光氧化还原-过渡金属双催化方面的代表作。图片来源：Science, 2014, 345, 437

图3.麦克米伦在光-氧化还原-有机小分子-有机小分子三元催化方面的代表作。图片来源：Science, 2015, 349, 1532-1536；纳特。化学, 2017, 9, 1073-1077

图4. Macmillan 在光-氧化还原-有机小分子-过渡金属三元催化方面的代表作。图片来源：Science, 2016, 352, 1304

近日，Macmillan教授团队报告了他们通过光-氧化还原-过渡金属三重催化策略活化/功能化惰性烷烃C-H键的最新进展（图5）。在这项工作中，Macmillan教授为该团队首次在其光诱导氧化还原催化体系中使用了双功能催化剂十聚钨酸盐[W10O32]4-，它不仅可以作为光敏剂促进单电子转移催化循环，还可以作为氢转移催化剂实现C-H键，活化和裂解产生烷基自由基，最后通过Ni催化的交叉偶联反应捕获烷基自由基，完成C-H键芳基化，相关结果发表在Nature上。

图5. 光诱导氧化还原镍三重催化活化惰性烷烃 C-H 键的策略。图片来源：自然

光氧化还原过渡金属催化惰性脂肪族 C-H 键的活化/功能化

通过光氧化还原-过渡金属协同催化策略，可以在非常温和的条件下实现几个惰性脂肪族 C-H 键的活化/功能化。对此，Macmillan教授主要开发了光氢原子转移-镍三元催化交叉偶联的方法（图6a），其中氢原子转移催化剂为奎宁环，在光敏剂Ir铵自由基钌多吡啶配合物，然后抓住脂肪碳上的氢原子生成碳自由基，而Ni催化剂可以捕获碳自由基进行偶联反应钌多吡啶配合物，在光敏剂的辅助下实现活性Ni催化剂的再生红外。目前，该策略可以利用C(sp3)-H键作为亲核试剂前体实现C-C键构建，可广泛应用于α-氨基、α-烷氧基和苄基的直接芳基C-H键上。另一方面，Doyle教授和Molander教授通过Cl（图6b）或Br原子自由基抓取的光镍双催化模式实现了α-烷氧基甚至烷烃（仅环己烷的一个例子）的C-H，键的直接芳基化，其中卤代芳烃与金属镍的氧化加成产物在光激发下均裂形成卤素原子自由基，进而引发 C-H 键官能化。解决惰性烷烃更困难的C-H键活化转化的策略仍面临相当大的挑战。

图6. Photoredox-nickel 协同催化惰性脂肪族 C-H 键芳基化。图片来源：Nat。 Rev. Chem., 2017, 1, 52

兼具单电子转移和氢原子转移能力的双功能光敏剂——十聚钨酸盐[W10O32]4-

十聚钨酸盐[W10O32]4-，简称“十钨”，是一种由高价过渡金属钨离子与氧原子桥接而成的多核团簇。 “十钨”参与有机合成光催化反应的应用始于1980年代中期（图7），其光催化活性源于与TiO2等半导体氧化物相似的结构组成和电子特性。 “十钨中W-O-W桥氧键上氧原子的2p电子”受光激发后跃迁到金属W的5d空轨道上，然后O原子上的光生空穴产生碳自由基通过抓住烷烃中的H原子及其电子，金属W上的光生电子可以被其他受体捕获，从而实现“脱钨”的再生，催化烷烃C-H键的一系列自由基转化反应（图8）.

图7.“十钨”光催化裂解烷基C-H键-自由基转化。图片来源：化学。社会党。修订版, 2009, 38, 2609

图8.“十钨”光催化烷烃中C-H键断裂的转化机理。图片来源：化学。社会党。修订版, 2009, 38, 2609

钨镍三元催化C-H键活化烷烃芳基化的假设

基于此，作者设想（图9）1-[W10O32]4-被光激发产生激发态2-*[W10O32]4-，然后提取H原子在烷烃 3 及其电子形成激发态 2-*[W10O32]4-] 烷基自由基 5 和单电子还原产物 4-[W10O32]5-H+、4-[W10O32]5-H+ 发生歧化反应再生1-[W10O32]4-，进入下一个催化循环的氢原子提取；另一方面，歧化反应中的还原产物6-[W10O32]6-2H+将起始二价镍催化剂还原为零价镍通过两个单电子转移完成亲核烷基5与亲电卤代芳烃的偶联反应生成产物11，得到一价镍催化剂12，12再通过6-[W10O32]的单电子还原再生6-2H+再生零价镍7，进入下一个偶联催化剂循环。

图9.“十钨”/镍三元催化C-H键活化裂解芳基化烷烃的假设。图片来源：自然

作者探索了以5-溴-2-三氟甲基吡啶和正己烷为模板底物的反应条件，最终发现该反应是在1 mol%“十钨”四正丁基铵盐As下进行的氢转移催化剂和光敏催化剂，5mol%Ni(dtbbpy)Br2作为金属偶联催化剂，1.1当量磷酸钾作为碱，乙腈作为溶液。 C-H键芳基化产物的％产率。进一步研究表明（图10-12），该反应不仅具有广泛的底物应用，而且可用于各种药物分子和脂肪族C-H中芳基碳-卤键的后期修饰。天然产物中的键。

图10.脂肪C-H键活化的适用范围。图片来源：自然

图11. 卤代芳烃底物的适用范围。图片来源：自然

图 12. 天然产物中脂肪族 C-H 键的芳基化。图片来源：自然

总结

自 2008 年光氧化还原催化真正兴起以来，光催化引发的研究兴趣呈指数级增长，其中大部分年度出版物都是关于光反应的。该过程的核心通常是一种可以捕捉可见光光子的感光铱或钌有机金属物质，并通过一种可控的单电子转移方式——抓取或释放电子产生活性自由基物质，从而实现不同物质的结合。而现在，Macmillan教授让我们再次认识到光敏金属催化剂比单电子转移有更多的用途，他们以可提取氢原子的十聚钨酸盐[W10O32]4-作为光敏剂，结合金属镍催化剂，成功实现了活化芳基化。惰性烷烃 C-H 键。这无疑是一个令人振奋的结果，相信在麦克米伦教授工作的推动下，光氧化还原催化可以帮助人们完成越来越多以前不可能完成的反应。

原创

强脂肪族 C-H 键的直接芳基化

Nature, 2018, 560, 70, DOI: 10.1038/s41586-018-0366-x