JACS：光诱导吖啶盐芳基化用于C−O键断裂的可调控光氧化还原催化剂

近十年来，光氧化还原催化剂的发展改变了化学家开展新化学转化的方式。吖啶是常用的强氧化性有机光催化剂，其光物理和电化学性质可以通过官能团修饰来调节，从而与多吡啶基过渡金属光氧化还原催化剂彼此互补和竞争。目前，吖啶衍生物的制备仍受到高度限制，金属有机化合物前体的使用导致带有敏感基团的底物兼容性较差（Figure 1A, 左）。基于光催化自由基策略的吖啶芳基化反应理论上具有较高的官能团耐受性，且反应的区域选择性容易控制（Figure 1A, 右）。因此，建立多样性吖啶有机光催化剂库可获得不同氧化还原能力的光催化剂，为开发新的光催化反应提供有力支持。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

木质素在可持续条件下的高附加值利用是从生物质获取芳香化合物的绿色途径。因此，可见光驱动木质素模板底物C−O键断裂吸引了化学家浓厚的兴趣（Figure 1B）。目前，光催化木质素β-O-4模型底物的C−O键断裂需要光氧还原催化剂，并且要对苄醇进行预氧化，反应最终得到苯乙酮和苯酚类产物。2019年，König小组采用4CzIPN作为有机光催化剂，硫醇作为氢原子转移试剂，实现了β-O-4模型底物的中性氧化还原裂解生成苯乙酮和苯酚类产物，且底物无需提前氧化。相比之下，催化木质素模型底物C β O−Ar键断裂制备二醇产物的研究鲜有报道。最近，法国雷恩大学Jean-FrancoisSoulé和Julien Boixel课题组以及斯特拉斯堡大学Henri-Pierre Jacquot de Rouville课题组合作，发展了光催化吖啶盐的区域选择性芳基化方法，制备了吖啶盐有机光催化剂库，并从中筛选出最佳吖啶盐光催化剂来催化β-O-4木质素模板底物CβO−Ar键断裂制备芳基乙二醇类化合物（Figure 1C）。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.1c12961）。

首先，作者以N-甲基吖啶四氟硼酸盐和4-甲氧基苯重氮盐作为模板底物优化反应条件。实验结果发现，在甲醇和DMSO作为混合溶剂（1:2）的条件下，底物在室温下蓝光照射20小时，可以得到85%分离收率的C9芳基化产物1（Table 1, entry 9）。控制实验表明该反应在暗环境或氧气氛围下无法顺利进行。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

在确定最优反应条件后，作者对反应的底物适用范围进行探索（Scheme 1）。结果表明，反应具有较好的底物适应性和官能团兼容性，未取代及对位、间位、邻位取代（包括富电子和缺电子取代基）的芳基重氮四氟硼酸盐均可以顺利得到目标产物（2-17）。其中，9-芳基吖啶六氟磷酸盐产物也被成功制备（5,6）。与使用有机金属试剂的方法相比，光诱导自由基反应对卤素取代基具有较好的耐受性，产物可进一步转化。双取代芳基重氮盐也可以很好地与N-甲基吖啶进行光诱导C−H芳基化反应（18-24）。此外，N-苯基吖啶盐也可以发生转化，以良好的收率得到对应的9-芳基-N-苯基吖啶盐产物（25-27）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者对反应机理进行了深入探究（Figure 2）。作者通过EPR捕获实验来探究瞬态自由基物种的形成。MeAcrH·BF 4 和PBN在DMSO中的混合物在蓝光照射下会反应生成吖啶基自旋加合物29，且得到的EPR光谱与具有超精细耦合常数的α-C中心自由基一致（Figure 2A）。相比之下， MeAcrH·BF 4 、4-甲氧基苯重氮四氟硼酸盐和PBN在相同条件下混合时，EPR光谱显示为两个不同的C中心自由基形成的自旋加合物的混合物。通过计算机模拟分析表明，混合物中存在吖啶基自旋加合物29和苯基自旋加合物30（Figure 2B）。

基于以上实验结果，作者提出了可能反应路径（Figure 2C）。MeAcrH·BF 4 在蓝光照下得到激发态，并在溶剂的作用下生成还原态吖啶自由基（Step 1-2 ）。随后，重氮盐可被吖啶自由基有效地还原，释放氮气得到芳基自由基（Step 3-4）。芳基自由基进一步与再生的吖啶盐前体反应，得到相应的芳基化中间体（Step 5）。最终，该芳基化中间体在溶剂介质的作用下氧化生成目标产物（Step 6）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者还对合成的一系列C9-芳基N-甲基/芳基吖啶盐产物的光物理和电化学性质进行了详尽的分析与测试，包括电子吸收、发射光谱以及电化学参数等（Table 2，Figure 3）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

接下来，作者对芳基化吖啶盐在β-O-4木质素底物氧化裂解中的应用进行研究。使用芳香二醇单芳基醚31作为模板底物，对各种吖啶盐光催化剂进行筛选。作者发现具有一定空间位阻的C9位2’-溴苯基吖啶盐14具有最高的光催化活性，可催化底物C β O−Ar键高效断裂，生成84%分离收率的二醇产物32（Table 3, entry 5）。对照实验表明，在没有催化剂或氧气的条件下反应无法进行（Table 3, entry 10-11）。此外，在相同条件下以愈创木酚为底物进行了对照实验，但是大部分原料在反应过程中被消耗无目标产物生成（Table 3, entry 12）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

利用最优吖啶光催化剂14，作者对木质素模型底物的适用范围进行了考察，包括带有不同取代模式的甲氧基取代酚醚单元底物。其中，2-(3,5-二甲氧基苯氧基)-1-苯基乙醇34可以选择性断裂C β O−Ar键得到71%收率的目标产物32。当使用2-(2-甲氧基苯氧基)-1-(4-甲氧基苯基)乙烷-1-醇35时，两个芳环显示出相似的电子特性，光催化C−O键断裂得到45%收率的目标产物41。当底物36和37的酚芳基单元含有两个甲氧基时，所对应的二醇产物的分离收率更高，分别为78%和90%。底物38-40也可以顺利的转化为目标二醇产物。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：作者开发了一种基于自由基策略的吖啶区域选择性C9−H芳基化方法，实现了吖啶盐的多样性后期修饰，为吖啶有机光催化剂库的制备提供支持。由于反应条件温和，该方法具有广泛的底物适用范围和官能团耐受性。作者详细地研究了各种C9芳基取代基对吖啶光催化剂氧化还原性质的影响，并设计通过在吖啶C9芳基的2'位引入一个大位阻的溴取代基，提高光催化剂的量子产率和激发态寿命，利用其高效催化芳香二醇单芳基醚C β O−Ar键的断裂来得到1,2-二醇产物。该方法为生物质资源木质素向高附加值、低分子量芳烃的转化迈出了重要的一步。

论文信息：

Photoinduced Arylation of Acridinium Salts: Tunable Photoredox Catalysts for C−O Bond Cleavage

Yi-Xuan Cao,∥ Gan Zhu,∥ Yiqun Li, Nolwenn Le Breton, Christophe Gourlaouen, Sylvie Choua, Julien Boixel,* Henri-Pierre Jacquot de Rouville,*and Jean-Francois Soulé*

J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.1c12961

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