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再發(fā)Science!諾獎(jiǎng)得主開創(chuàng)第三種催化劑!

光氧化還原催化可實(shí)現(xiàn)獨(dú)特且廣泛適用的化學(xué)反應(yīng),但控制其選擇性已被證明具有極大的挑戰(zhàn)性。
其中,由于活化自由基(離子)中間體的高能量,對(duì)映選擇性的追求是一個(gè)特別艱巨的挑戰(zhàn),而以前的方法總是需要將光氧化還原催化循環(huán)與額外的激活模式配對(duì),以進(jìn)行不對(duì)稱誘導(dǎo)。通過自由基離子進(jìn)行的光氧化還原反應(yīng)的潛在解決方案是與對(duì)映體純反離子的催化配對(duì)。
然而,雖然已經(jīng)嘗試了這種方法,但尚未實(shí)現(xiàn)高選擇性。
在此,馬克斯?普朗克煤炭研究所Benjamin List教授Chandra Kanta De教授報(bào)道了基于自由基陽(yáng)離子的不對(duì)稱光氧化還原催化的潛在通用解決方案,探索了反式茴香腦與苯乙烯之間的光氧化還原催化分子間[2+2]環(huán)加成反應(yīng)。
相關(guān)論文以Asymmetric counteranion-directed photoredox catalysis”為題發(fā)表在Science。
再發(fā)Science!諾獎(jiǎng)得主開創(chuàng)第三種催化劑!
光氧化還原催化作為化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新興領(lǐng)域,能夠設(shè)計(jì)和開發(fā)各種轉(zhuǎn)化作為補(bǔ)充傳統(tǒng)的化學(xué)合成過程。通常,在光氧化還原轉(zhuǎn)化中,光被光催化劑吸收,然后觸發(fā)單電子轉(zhuǎn)移(SET),導(dǎo)致形成高活性自由基離子。
例如,在氧化模式下,SET提供相應(yīng)的底物自由基陽(yáng)離子。相反,在還原模式下,自由基陰離子最初通過SET從催化劑到底物產(chǎn)生,這兩種途徑都形成了大量不同且通常廣泛有效的轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)。因此,不對(duì)稱光氧化還原催化的發(fā)展成為具有高度相關(guān)性的話題。
然而,由于控制自由基離子本身的一般對(duì)映選擇性方法尚不可用,以前的不對(duì)稱光氧化還原催化方法總是需要第二活化模式和催化循環(huán)才能實(shí)現(xiàn)立體選擇性(圖1A),示例包括烯胺和亞胺離子催化、卡賓催化、布朗斯特德催化、過渡金屬催化和路易斯酸催化,都受益于先前建立的不對(duì)稱感應(yīng)方法。
雖然這些雙重催化方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具有出色對(duì)映選擇性的有效轉(zhuǎn)化,但即使在僅使用單一催化劑的情況下,第二個(gè)催化循環(huán)的要求也對(duì)底物功能化造成了一定的限制。更重要的是,對(duì)一般的反應(yīng)多樣性也造成了一定的限制。
其中,不需要第二次催化循環(huán)的方法可能會(huì)為不對(duì)稱光氧化還原催化提供一個(gè)更普遍的解決方案,并使許多廣泛有用的化學(xué)合成方法的對(duì)映選擇性成為可能。
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圖1. 對(duì)映選擇性光氧化還原催化的一般催化循環(huán)
最近的研究表明,采用(修飾的)酶能夠憑借其明確的活性位點(diǎn),可以預(yù)先組織高反應(yīng)性中間體以參與立體選擇性轉(zhuǎn)化。為了將這種不對(duì)稱反陰離子定向催化(ACDC)方法推進(jìn)光氧化還原催化,具有更高的選擇性和通用性,需要對(duì)映體純正陰離子的兩個(gè)特征。
首先,其堿度不應(yīng)太高,以避免典型的高酸性自由基陽(yáng)離子中間體的去質(zhì)子化。其次,受限的活性位點(diǎn)能夠控制僅弱配位自由基陽(yáng)離子在反應(yīng)中的選擇性。
事實(shí)上,通過引入亞胺雙磷酰亞胺類(IDPi)陰離子能夠控制其他具有挑戰(zhàn)性且以前無法獲得的陽(yáng)離子,這種ACDC的光氧化還原催化方法,只需要一個(gè)催化循環(huán),就可以提供巨大的潛在通用性(圖1B)。
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圖2. [2+2]環(huán)加成反應(yīng)中的不同反陰離子
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圖3. 分子間[2+2]環(huán)加成反應(yīng)的范圍
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圖4. 不同光波長(zhǎng)下IDPi反陰離子光催化劑的評(píng)價(jià)
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圖5. 光譜研究
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圖6. 機(jī)理探究
Sayantani Das, Chendan Zhu, Derya Demirbas, Eckhard Bill, Chandra Kanta De, Benjamin List, Asymmetric counteranion-directed photoredox catalysis, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade8190

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