牛林彬/李世俊/蓝宇团队Nature Communications: Brønsted酸解锁配体对金属电荷转移的铁光催化

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第一作者：郑州大学硕士研究生蒋小渝

通讯作者：牛林彬直聘副研究员; 李世俊副教授；蓝宇教授

通讯单位：郑州大学

论文DOI：10.1038/s41467-024-50507-6

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改进可持续发展的3d金属基可见光催化平台用于活化惰性化合物是非常可取的。本文描述了一种强有力的Brønsted酸解锁铁配体-金属电荷（LMCT）转移的策略，用于活化各种惰性多卤烷基羧酸盐（C _n X _m COO ⁻ ，X = F or Cl）产生C _n X _m 自由基。通过结合易于获得的Selectfluor作为亲电性氟源，实现了非活化烯烃的氟多卤烷基化。该策略可以很容易获得具有高价值的烷基氟化物，包括大量的潜在药物分子。机理研究表明，真实的光活性物种可能是由Fe ³⁺ ，C _n X _m COO ⁻ ，H ⁺ 和乙腈原位生成。Brønsted酸通过氢键相互作用提高了铁中心和C _n X _m COO ⁻ 之间的LMCT效率。作者预计这种Brønsted酸解锁铁配体-金属电荷（LMCT）转移的催化平台，将成为一个用于活化惰性化合物让人感兴趣的选择。

背景介绍

铁作为最便宜和最丰富的金属之一，在光化学中表现出了令人印象深刻的光化学活性，其LMCT产生自由基物种的催化能力是激发态贵金属钌、铱多吡啶配合物通过单电子转移（SET）能力实现催化反应的理想替代品。 但是到目前为止，对铁光化学活性物种金属配合物中配体的探索主要集中在Cl ⁻ 、N ₃ ⁻ 、醇类化合物和脂肪族羧酸，对于氧化电位较高的廉价化合物，如三氟乙酸盐（ E _1/2 ^ox >2.4 V， versus SCE ）的活化与转化仍然具有挑战性。

本文亮点

1. Brønsted酸解锁铁LMCT的光催化策略，成功实现了在室温条件下，通过蓝光照射活化惰性多卤烷基羧酸盐，用于构建各种含氟化合物，包括潜在的药物活性分子。

2. 机理研究表明，在Brønsted酸的氢键相互作用下，可以有效提高铁中心和C _n X _m COO ⁻ 之间的LMCT效率，使得光活性物种产生自由基的热力学过程更有利，同时铁的LUMO轨道能量显著降低，有利于铁LMCT的过程。

3. 克级合成实验和铁催化剂低载量实验（TON=160）的良好结果，表现出了该催化策略具有一定的应用前景。

图文解析

近些年来随着光化学的蓬勃发展，光诱导的光学活性物种配体到金属的电荷转移过程（LMCT）已成为产生开壳自由基物种的强力的手段。本文通过Brønsted酸解锁铁光学活性物种LMCT的催化策略，活化多卤烷基羧酸盐（C _n X _m COO ⁻ ）释放多卤烷基自由基，通过烯烃捕获和选择性氟试剂的自由基氟化实现了烯烃的氟多卤烷基化（图1）。

图1: 光诱导金属催化的LMCT过程释放的自由基及其转化。

作者考虑到Brønsted酸和三氟乙酸盐（CF ₃ COO ⁻ ）的浓度可能对反应的影响较大，因此通过TFAA，异丙醇，二苯醚和乙腈来构建平衡体系，原位生成Brønsted酸和三氟乙酸盐，并通过氟谱和高分辨证明了该过程（图2a）。最终利用该平衡体系，使用Fe(acac) ₃ 作为金属催化剂，Selectfluor作为自由基氟化试剂，在蓝色LED灯照射下成功实现了非活化烯烃的氟三氟甲基化（图2b-i）。当从标准条件中去除二苯醚时，原料几乎全部消耗，并通过ESI-HRMS检测到胺化三氟甲基化和胺化氟化的副产物（ 8 和 9 ）（图2b-ii）。二苯醚可以是作为氧化还原缓冲液，及时淬灭由Selectfluor产生的N自由基阳离子（ 10 ）（图2b-iii）。随后，相较于直接使用TFA（图2c-iii），或TFAA-二苯醚（图2c-ii）的反应条件，标准反应条件（图2c-i）下都具有更快的初始反应速率和更短的诱导期。随后作者通过合成的三氟乙酸铁来探究反应的机理过程，发现只有加入Brønsted酸（TfOH）时有中等产率的目标产物，相对较弱的Brønsted酸会使产率大幅降低或没有目标产物生成。随后进行的UV-Vis测试，在Brønsted酸存在下，三氟乙酸铁（Fe(CF ₃ COO) ₃ ）才会发生光解。随后作者又进行了开关灯实验排除了自由基链过程，以及铁催化剂和TFAA的动力学实验证明了初始反应速率会随着铁催化剂和CF ₃ COO ⁻ 的增加而提高 。

图2: Brønsted酸解锁铁催化LMCT的设计及其验证。

在对溶剂的研究过程中，作者观察到只有当溶剂具有配位能力时（如CH ₃ CN、EA和(CH ₃ ) ₃ CCN，才能获得相应的氟三氟甲基化产物。而非配位溶剂（DCM，DCE）作为溶剂时未能产生CF ₃ 自由基（图3a）。因此考虑溶剂CH ₃ CN是否作为配体参与了铁光学活性物种的组装（图3a，b）。为了确定铁光学活性物种的真实结构，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算。Fe(CF ₃ COO) ₃ ，H ⁺ 和两个CH ₃ CN分子分别通过氢键和配位效应原位组成光学活性物种 12 ，在蓝光照射下通过LMCT过程释放CF ₃ 自由基，并通过ESI-HRMS实验进一步确定了 12 的存在。如果没有Brønsted酸的氢键效应，从物种 12’ 释放CF ₃ 自由基的过程在热力学上变得不利。该方案的详细机制循环如图3d所示。在Brønsted酸、CF ₃ COO ⁻ 和CH ₃ CN的存在下，原位生成的铁光学活性物种 12 ，在蓝光照射下，通过LMCT过程释放CF ₃ COO自由基 13 和Fe(II)中间体 14 。随后CF ₃ COO自由基 13 释放CO ₂ 气体后，产生CF ₃ 自由基，其进一步被烯烃捕获形成自由基加合物 15 。 15 通过Selectfluor的自由基氟化提供了相应的的氟三氟甲基化产物 16 。生成的N自由基阳离子 10 可以通过氧化还原缓冲液二苯醚淬灭，以避免产生相关的C-N成键的副产物。自由基阳离子 17 和 10 通过SET步骤再生Fe(III)物种，并通过DFT计算证明了该过程的合理性。

图3：铁光学活性物种的确认。

随后对该反应体系进行了底物拓展，采用本方法可以制备各种具有高价值的烷基氟化物（图4）。同时，该体系也可以成功应用转化于来自各种包含药物分子骨架的复杂烯烃（图5a）。克级实验和TON实验的成功（TON:160）也证明了该策略具有一定的应用潜力（5b）。

图4：未活化烯烃的底物范围。

图5：后期功能化以及克级实验。

除了烯烃的氟三氟甲基化外，Brønsted酸解锁铁LMCT平台还可以拓宽至发散合成，以解决一些具有挑战性的自由基转化问题，包括具有药物分子骨架的烯烃氟二氟甲基化（ 63、68、72、75 和 80 ）、氟氯二氟甲基化（ 64、69、73、76 和 81 ）、氟三氯甲基化（ 67、71、78 和 82 ）、氟二氯甲基化（ 70、74、77 和 84 ）、氟五氟乙基化（ 65 ）、氟氯四氟乙基化（ 79 和 83 ）和氟七氟丙基化（ 66 ）（图6）。

图6：合成应用。

总结与展望

本文通过详细的机理研究，揭示了一种实用的Brønste酸解锁铁LMCT方案，用于各种惰性多卤烷基羧酸盐活化，以提供C _n X _m 自由基，该方案可以应用于非活化烯烃的氟多卤烷基化。Brønsted酸的氢键效应和CH ₃ CN溶剂的配位对于确保铁和C _n X _m COO ^- 的光学活性物种的有效组装非常重要。

文献信息

标题：Iron photocatalysis via Brønsted acid-unlocked ligand-to-metal charge transfer

引文信息： Nat. Commun. 15 , 6115 (2024).

DOI： https://doi.org/10.1038/s41467-024-50507-6

作者介绍

牛林彬 ，本科毕业于郑州大学，博士毕业于武汉大学（导师：雷爱文教授），现为郑州大学化学学院直聘副研究员。研究方向为基于3d金属的新型光催化体系的开发与应用，以通讯作者或第一作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., ACS Catal., Chem. Soc. Rev.等国际期刊上发表论文数十篇，研究成果得到国内外同行的高度评价。

李世俊， 副教授，主要从事理论计算化学研究，结合计算化学理论与方法，对催化反应过程中的结合位点与反应历程进行模型研究。2018年进入郑州大学化学学院工作以来，累计发表论文60余篇，其中包含一作与通讯论文20余篇，包含有JACS, Angew. Chem. In.Ed.等。目前主持国家自然科学基金一项。

蓝宇， 郑州大学化学学院 教授、副院长，博士生导师。2020年获批科技部中青年科技创新领军人才项目（万人领军），2018年获得国家自然科学基金优秀青年基金支持。长期从事催化反应机制及过程的研究，聚焦反应机制调控下的功能分子精准合成。近年来以通讯作者在 Nature （1篇）、 Nat. Chem. （3篇）、 J. Am. Chem. Soc. （23篇）、 Angew. Chem. Int. Ed. （31篇）、 Nat. Commun. （13篇）、 Chem （5篇）、 CCS Chem. （4篇）等化学类顶级期刊上发表学术研究论文79篇，累计以通讯作者发表学术论文300余篇。近年来受邀在包括 Acc. Chem. Res. （2篇）、 Chem. Soc. Rev. （2篇）、 Coor. Chem. Rev. （3篇）、 Chem. Commun. （Feature Article 1篇）等期刊撰写十余篇专题综述总结相关领域或本团队的研究进展。于2021年受WILEY-VCH出版集团邀请独著专著一部（ Lan, Y. Computational Methods in Organometallic Catalysis ; Wiley-VCH: Hoboken, NJ, 2021.）。

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