研究论文介绍

清华大学谭春燕教授课题组ACS Appl. Mater. Interfaces:共轭聚合物用作光敏剂生成单线态氧以高选择性氧化有机硫醚

本文作者:海猫

导读

在本文中,一个带正电的共轭聚电解质PPET3-N2被用作光催化氧化反应的光敏剂,它可以催化一系列有机硫醚生成亚砜的氧化反应,例如苯甲硫醚,乙基苯基硫醚等,选择性与产率都很高。除了在传统的反应器中进行光催化氧化反应,作者还使用了微流控芯片作为反应器,可以在8分钟内达到98%以上的转化率。作者还在微流控反应器中对抗肿瘤药物利苯达唑的光催化氧化反应进行了探究,也能达到不错的收率,从而佐证了高分子材料在有机反应中的潜在应用。

Highly selective oxidation of organic sulfides by a conjugated polymer as the photosensitizer for singlet oxygen generation

Jingfeng Li, Zhaoyi An, Junyang Sun, Chunyan Tan, Dan Gao, Ying Tan, and Yuyang Jiang

ACS Appl. Mater. Interfaces, ASAP  DOI: 10.1021/acsami.0c10162

正文

亚砜,作为一类重要的化学材料,被广泛应用于农业与制药工业中。亚砜往往是使用亲电子试剂二恶英、臭氧、氧气与过氧化氢作为氧化剂,氧化有机硫醚而得来。为了提高氧化反应的选择性,往往需要加入复杂的催化剂,它们的制备与循环使用较困难。近年来,单线态氧(1O2),一个具有更高选择性与效率的氧化剂逐渐为研究者所关注。

目前,已有文献报道单线态氧可以作为选择性氧化硫醚生成亚砜的氧化剂。单线态氧作为一类比较主要的活性氧(ROS),可以通过光敏反应,微波电和化学反应产生。光敏反应因为其低毒性与高选择性而被广泛的应用,常见的光敏剂有过渡金属复合物,有机染料,卟啉衍生物等。近年来也发展出了一些新的光敏剂,比如金属有机框架(metal-organic frameworks, MOFs),有机纳米颗粒,富勒烯等。共轭聚电解质(conjugated polyelectrolytes, CPEs)是一类具有离域π电子骨架和离子侧链的高分子物质,具有很强的光捕获与光稳定性质,并且也有一些关于CPE受光照产生单线态氧,从而应用于抗菌与抗肿瘤研究的报道。关于CPE用作光敏剂来催化有机反应的报道还比较少。

在这里,作者报道了一种带正电的CPE,聚对苯撑乙炔基三噻吩(PPET3-N2)作为光敏剂来光催化氧化一系列有机硫醚(Scheme 1),反应具有比较高的产率和选择性。反应同时在普通反应器与微流控芯片中进行,且在后者中的反应效率比前者要高。

首先,PPET3-N2被用作在室温下光氧化苯甲硫醚(白色LED 照射),来评估其光催化性能。通过核磁共振谱图和高效液相色谱(HPLC)分析可以发现,甲基苯基亚砜是反应产生的唯一产物。在HPLC中,使用水:乙腈=3:7的洗脱剂会得到两个在3.45和6.55分钟的峰,分别是甲基苯基亚砜和苯甲硫醚(详见SI)。该反应未生成甲基苯基砜副产物,说明单线态氧作为氧化剂具有更高的选择性。作者还在不同反应时间下做了HPLC实验,照射时间越长,产率越高(Figure 1b)。

接下来,作者优化了反应条件,主要是光催化剂PPET3-N2的浓度和光照强度(Figure 1c)。当PPET3-N2的浓度从50 μM增加到200 μM时,苯甲硫醚的转化率逐渐提高,并随着浓度增加至150 μM而不再增加。该现象可能是因为单线态氧的产生与从三重态光敏剂到三重态氧的能量转移过程有关,所以随着PPET3-N2浓度的增加,激发态PPET3-N2发生分子间碰撞的可能性也随之增加。作者在不同的溶剂中进行了反应,包括乙腈、乙醇和甲醇,结果表明随着溶剂极性的增加,转化率从4.2%提升至39.2%。这个现象可能是因为单线态氧在低极性溶剂中更容易被物理淬灭。作者随即研究了另一个反应条件——光强。使用白光LED,反应时间8小时,PPET3-N2浓度为150 μM时,将光强度从1.6 mW/cm2增加到3.8 mW/cm2,苯甲硫醚的转化率从29.4%提高到68.8%(Figure 1c)。因此,更强的光源会导致更高的光敏效率。同时,作者还评估了PPET3-N2的光稳定性实验,在3.8 mW/cm2的白色LED灯下照射8小时后,荧光强度在10%左右变化,这表明PPET3-N2在反应过程中较为稳定(Figure 2)。

为了扩展该反应催化硫醚底物的通用性,作者在相同的反应条件下准备了一系列的苯甲硫醚衍生物,硫醚两端所连基团的电性、位置等均有所改变,如Table 1所示。实验结果表明,所有的反应都显示出选择性,产物中绝大部分都为亚砜,且转化率与反应物的给电子能力相对应。对于取代基团为吸电子基团的底物来说(Table1, entries 7-9),电负性越强,转化率越低。对于相同取代基的不同位置来说(Table1, entries 7, 10, 11),两个基团的相对位置越近,转化率越低。对于乙基苯基硫醚,苯基烯丙基硫醚和苯基苄基硫醚来说,反应的选择性都大于99%(Table1, entries 1-3),证明该反应可以催化较广泛的硫醚底物。

与普通的反应器相比,微流控反应器因为传热和传质快,分子扩散距离短,易于精确控制而具有明显的优势。因此,作者设计了一种反应效率更高的用于光催化氧化的微流控反应器,如Figure 3所示。 选择玻璃来制造微流控装置是因为它具有较好的透光性,并且不会吸附反应物。微流控的通道由一个Y形入口开始,在其中可以加入反应物;紧接着是一个长的蛇形通道,以确保充分的混合。通道长60 mm,宽300 μm,高100 μm。

作者在这个微流控反应器中进行了4-甲氧基苯甲硫醚的光氧化。在微流控芯片里的保留时间由Harvard注射器控制。4-甲氧基苯甲硫醚和PPET3-N2的浓度分别为10 mM和150 μM,反应结果列在Table 2中。在相同的保留时间下,向通道中注入氧气会使反应效率翻倍,而在8分钟后会达到超过90%的转化率。而在普通反应器中,需要8小时才能达到相近的转化率,这表明微流控反应器确实提高了反应效率。

然后,作者将这种光催化氧化的方法进一步用来探索氧阿苯达唑(ricobendazole)的合成。据报道,氧阿苯达唑常被用作抗寄生虫药物,并具有抗肿瘤活性。阿苯达唑氧化为氧阿苯达唑往往需要比较复杂的条件,需要在反应中加入碱、配体等。而作者通过使用35 μM PPET3-N2作为催化剂,甲醇作为溶剂,实现了对氧阿苯达唑的合成,转化率约为60%(Figure 4b)。此外,没有阿苯达唑砜副产物生成,说明了该反应的高选择性(>99%)。

除了在普通反应器中进行该反应,作者也在微流控反应器中使用0.5 mM阿苯达唑和35 μM PPET3-N2进行了阿苯达唑的光氧化。由Figure 4c所示,在氧气的氛围下仅十分钟内就达到了60%的产率,而在普通反应器中需要8小时才可以。因此,这项工作为在微流控芯片中进行更多类似的反应提供了一种新的方法。

结语

清华大学的谭春燕教授团队报道了一种共轭聚合物PPET3-N2作为光敏剂在普通反应器和微流控反应器中生成单线态氧的现象,并将其用于硫醚衍生物的氧化,反应具有较高的产率和选择性。而在微流控反应器中,反应效率进一步提高,并实现了高效氧化阿苯达唑以制备氧阿苯达唑,证明本方法在药物设计和合成中有潜在的应用。

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