可见光自由基反应的新应用-EDA complex

研究论文介绍

可见光自由基反应的新应用-EDA complex

在近年来可见光催化领域的又一大新的发现或者说一个理论的应用，小编觉得十分有创新点，所以在这里向大家做一个简单的介绍。

Photo-organocatalytic Enantioselective Perfluoroalkylation of β‑Ketoesters

Łukasz Woźniak, John J. Murphy, and Paolo Melchiorre.J. Am. Chem. Soc.2015, 137, 5678−5681.DOI: 10.1021/jacs.5b03243

Scheme 1: Enantioselective α-Trifluoromethylation of Aldehydes via Photoredox Organocatalysis

早在20世纪初由W.C.Macmillan开发出了配位的Ir可见光氧化还原催化剂(photo-redox catalyst)，这是从高压钠灯或者UV照射到温和的可见光照射催化单电子转移的(SET-single electron transfer)一个里程碑.这类催化剂可以吸收可见光形成活化的单电子自由基来催化整个反应循环。上图给出了一个利用这类催化剂，并且配合Macmillan开发的高位阻胺催化剂进行的羰基α位的不对称三氟甲基化反应。

Scheme 2: Asymmetric α-alkylation of aldehydes by EDA complex via photochemical process

而在2013年，在西班牙的意大利人Paolo Melchiorre发现即使不使用photoredox catalyst也可以进行单电子转移进行自由基反应。通过各种摸索作者发现，这类反应的成功与否主要取决于底物的配对。发生分子间反应的两个底物一般来说一个是富电子的，而另一个必须是缺电子的，在反应起始阶段，两个底物首先形成EDA（electron donar-acceptor） complex，然后吸收可见光能量来激活反应。由于形成这个EDA complex是一个十分缓慢的平衡过程，所以一般该反应的时间都比较长。另外EDA complex主要是通过电子的转移也可以说倾斜形成的，往往伴有红移以及颜色的改变。

Scheme 3: Marcus theory: the one-electron redox reaction

其实EDA complex的概念早在1953年就被报道发现。但是由于electron transfer是个可逆的过程，比较缓慢，所以它在化学反应中的应用一直没有得到展开。上图给出了一些EDA complex的基本概念，Donor与acceptor首先通过在溶液中的扩散相互作用接近，然后donor的电子往acceptor转移形成有颜色的EDA complex。以无色富电子TMDO与缺电子DDQ的组合为例，其两者混合在一起就能形成亮绿色混合物并且他们的吸收光波长会有显著地红移。

Figure 1: X-ray characterization of an EDA complex relevant to the photochemical alkylation

虽然作者提出了EDA complex这个理念，但是一直没有找到支持其这个观点的强有力证据。知道2015年上图所示这一片angew的问世。作者利用富电子的吲哚与两个硝基取代的缺电子底物进行反应，图中a)、b)分别是在溶液条件下或者是固体条件下两种底物与他们的混合物的UV波长，很明显的看出，当两种底物混合之后，他们的吸收波长有一个明显的红移。在这里，亮点在与作者得到了这个EDA complex的单晶结构（图c）,通过单晶解析发现donor跟acceptor之间的距离仅仅只有3.3A左右，远远小于范德华力，从而证明了EDA complex在该反应中存在的有力证据。

Table 1: Photochemical enantioselective perfluoroalkylation of indanone-derived β-ketoesters under PTC conditions.

上图所示的就是今天这篇论文的主旨-利用EDA complex配合手性相转移催化剂(PTC catalyst)进行的indanone-derived β-ketoesters的α手性全氟甲基化反应，虽然说该底物的相同位置的手性三氟甲基化与甲基化已经有过很多报道，但是利用EDA complex这个概念并且能够进行长链的全氟甲基化还是首例。从上面table中可以看出作为acceptor的inanone被富电子取代基取代的情况下(3g, 3h),由于比较难形成EDA complex, 所以收率很明显比其他底物要低。

Figure 2. Proposed mechanism: initiation, triggered by the photoactivity of the EDA complex, and radical chain propagation; X = I, Br.

对于该反应得机理，论文中基本已经给出，但是小编认为其中有个小错误，小编在这边已经自我纠正。另外其手性中间体小编也通过查阅文献在中间给出了小编的理解。首先羰基α位的酸性proton被碱脱去形成enolate IV，在这里PTC相转移催化剂有两个作用，最明显的就是稳定enolate anion，还有一个就是形成手性离子中间体IV, 而该中间体与碘化全氟烷混合后，enolate anion与全氟碘化烷基形成halogen键，并且enolate 氧的电子转移到全氟碘化烷基的sigma反键轨道，进行活化该轨道形成EDA complex中间体V，吸收波长发生红移，吸收可见光能量发生单电子转移(SET)，诱发形成最关键的全氟烷基自由基。然后与中间体IV反应形成VI, 在这里有个小问题就是VI到底能不能与全氟碘化烷进行单电子转移再生全氟烷基自由基，如果是这样，那么一旦反应诱发后，因为全氟烷基自由基可以通过中间体VI再生，所以就不需要光照就能自发进行。所以在这步，编者对作者给出的机理解析有点疑问。接下来就是如图所示的消除脱去碘得到产物。