第一作者：Gerardo M. Torres, Yi Liu（共同一作）
通訊作者：Bruce A. Arndtsen
通訊單位：麥吉爾大學(xué)
研究要點(diǎn)：
1. 光催化方法通過自由基反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)
2. 該反應(yīng)中使用了Pd/DPE-Phos光催化劑
3. 該反應(yīng)對一些惰性烷基、芳基底物、β-肽氨基酸有兼容性，擴(kuò)展了底物種類，這是因?yàn)榉磻?yīng)活化能降低導(dǎo)致
研究背景
偶聯(lián)反應(yīng)是現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)中重要的工具，催化循環(huán)中的氧化加成過程切斷化學(xué)鍵過程和還原消除形成化學(xué)鍵的步驟有一定矛盾（氧化加成速率提高抑制還原消除），McGill大學(xué)的Arndtsen等開發(fā)了通過可見光催化激發(fā)方法，通過同時(shí)降低氧化加成和還原消除過程中的活化能，緩解了這種矛盾過程。通過光激發(fā)Pd催化劑，實(shí)現(xiàn)溫和條件中實(shí)現(xiàn)羰基化反應(yīng)，擴(kuò)展了反應(yīng)底物范圍，實(shí)現(xiàn)對通常反應(yīng)性較弱的鹵化物及親核試劑反應(yīng)，得到了具有較大使用價(jià)值的酰氯、酯、酰胺、酮等產(chǎn)物。
解決了室溫條件實(shí)現(xiàn)對惰性底物的羰基化反應(yīng)。
有鑒于此，McGill大學(xué)Bruce A. Arndtsen等通過Pd催化劑可見光激發(fā)，發(fā)現(xiàn)這種催化反應(yīng)對碳鹵化學(xué)鍵的切斷和生成能同時(shí)改善（通過自由基反應(yīng)過程），該羰基化反應(yīng)對多種烷基、芳基鹵化物（溴、碘）有兼容性，對一些惰性底物實(shí)現(xiàn)了室溫羰基官能團(tuán)化。
要點(diǎn)1. 研究出發(fā)點(diǎn)
傳統(tǒng)的催化循環(huán)中氧化加成/還原消除中的矛盾性：氧化加成步驟中對富電子底物、非完全配位中心金屬、底物中的弱化學(xué)鍵更有利；還原消除步驟中對缺電子底物、高立體位阻、化學(xué)鍵較強(qiáng)的底物更有利。特別的，在烷基溴化物、CO、醇的三組分加成反應(yīng)中，Pd/IMes催化體系在紫外光或可見光催化進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，底物局限在有限的親核試劑中。
要點(diǎn)2. 反應(yīng)實(shí)施
反應(yīng)優(yōu)化。對鄰甲基碘苯、CO、2，6-二異丙基苯胺作為底物，在2.5 mol %Ir光催化劑、5 mol %[Pd(ally)Cl]2、20 mol %DPE-Phos配體催化體系，加入Bu4NCl、2，6-二叔丁基吡啶進(jìn)行反應(yīng)。
圖1. 反應(yīng)設(shè)計(jì)scheme
要點(diǎn)3. 反應(yīng)機(jī)理
可見光的作用：通過TEMPO自由基捕獲反應(yīng)驗(yàn)證了還原消除步驟中的芳甲酰自由基中間體，通過Pd催化劑和對甲氧基芳基鹵化物在CO氣氛中的光催化反應(yīng)，監(jiān)測了氧化加成步驟，證明光照作用提高了光催化反應(yīng)速率，能夠有效的生成酰氯物種。光催化作用對氧化加成反應(yīng)有改善，通過對Pd(0)催化劑激發(fā)，在降低氧化加成步驟中起到降低活化能的作用，通過硫醇自由基捕捉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種Pd(0)和芳基碘化物之間單電子過程。
總之，以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光催化作用在氧化加成、還原消除兩種反應(yīng)中都起到作用，并首次發(fā)現(xiàn)了Pd(0)在光催化自由基加成反應(yīng)中的應(yīng)用。該過程中Pd(0)中間體在親核試劑存在時(shí)，通過單電子轉(zhuǎn)移生成烷基自由基、芳基自由基，同時(shí)Pd(0)氧化為Pd(I)，在隨后的CO插入反應(yīng)中降低了反應(yīng)活化能，提高了催化反應(yīng)效率。
圖2. Pd催化劑的催化機(jī)理：在氧化加成、還原消除步驟中機(jī)理
要點(diǎn)4. 底物拓展
底物拓展。對正丁烷基碘、異丁烷基碘、異丙基碘、1-烯丁烷基碘、環(huán)戊烷基碘、1-氯丁烷基碘有兼容性；對環(huán)己基溴、金剛烷基溴、2，2-二甲氧基溴乙烷、2-氰基溴乙烷等溴化物有兼容性。
圖3.底物拓展
要點(diǎn)5. 反應(yīng)在合成中的應(yīng)用
對β-氨基酸、惰性芳烴等底物有兼容性：實(shí)驗(yàn)顯示N-溴乙基鄰二甲酰亞胺和β-肽類氨基酸衍生物、CO之間的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了80 %的產(chǎn)率（在30 ℃的苯中反應(yīng)48 h），在對2，4，6-三甲氧基苯、噻吩、N-甲基吡咯惰性C-H底物能夠進(jìn)行羰基化反應(yīng)，產(chǎn)率分別為92 %，86 %，70 %。
圖4. 反應(yīng)合成應(yīng)用
要點(diǎn)6. 前期工作
這項(xiàng)工作可能和之前對酰氯、Pd催化的羰基化相關(guān)研究相關(guān)。
圖5. Decarboxylation with Carbon Monoxide: The Direct Conversion of Carboxylic Acids into Potent Acid Triflate Electrophiles, Angew. Chem. Int. Ed. 2019,58, 5085-5089.
圖6. Functional Group Transposition: A Palladium-Catalyzed Metathesis of Ar–X σ-Bonds and Acid Chloride Synthesis, J. Am. Chem. Soc. 2018,140, 10140-10144.
圖7. A palladium-catalyzed C–H functionalization route to ketones via the oxidative coupling of arenes with carbon monoxide, Chem. sci. 2020,11, 3104-3109.
Science刊發(fā)對工作的評論
都柏林大學(xué)Lvana Fleischer等在本期Science上以“Light expands a catalyst's repertoire”為題對本工作進(jìn)行評價(jià)。Fleischer評價(jià)說，該工作中對傳統(tǒng)羰基化反應(yīng)中弱反應(yīng)性的惰性親核試劑有較好的兼容性，實(shí)現(xiàn)了在室溫條件中對惰性底物的反應(yīng)（“This approach enabled the reaction of two challenging substrates at room temperature”）。
圖8.光催化羰基化反應(yīng)和傳統(tǒng)羰基化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理區(qū)別
總結(jié)
該工作體現(xiàn)了光催化劑和熱催化不同的特點(diǎn)。目前光催化主要的應(yīng)用在于嘗試通過光化學(xué)方法替換熱化學(xué)反應(yīng)，對多種有氧化還原反應(yīng)的熱催化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱坞娮舆^程進(jìn)行，但是很少有研究能體現(xiàn)出光催化和熱催化的反應(yīng)性區(qū)別，這個(gè)研究提供了展現(xiàn)光催化方法對反應(yīng)深度調(diào)控進(jìn)行對反應(yīng)性的可能性，對實(shí)現(xiàn)與熱催化有區(qū)別的光化學(xué)反應(yīng)有廣泛意義。
參考文獻(xiàn)及原文鏈接
Gerardo M. Torres, Yi Liu, Bruce A. Arndtsen*. A dual light-driven palladium catalyst: Breaking the barriers in carbonylation reactions，Science, 2020, 368, 6488, 318-323
DOI: 10.1126/science.aba5901
https://science.sciencemag.org/content/368/6488/318.full
Prasad Kathe, Ivana Fleischer*. Light expands a catalyst's repertoire, Science, 2020, 368, 6488, 242-243
DOI: 10.1126/science.abb2104
https://science.sciencemag.org/content/368/6488/242
作者簡介
Bruce A. Arndtsen，于1988年在卡爾頓學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，隨后于1993年在斯坦福大學(xué)獲得博士學(xué)位（導(dǎo)師：Lisa McElwee-White）。1993-1995年在加州大學(xué)伯克利分校做銥催化C-H鍵活化相關(guān)博士后研究，在1995年開始就職于加拿大McGill大學(xué)。Arndtsen教授的研究主要是過渡金屬催化反應(yīng)，此外開發(fā)了手性陽離子分子（chiral anions）在手性合成中的應(yīng)用。最近，Arndtsen教授還開發(fā)了新型1，3-偶極環(huán)化反應(yīng)（phospha-Münchnones）；CO分子作為羰基的傅-克酰基化反應(yīng)。
主頁: http://arndtsen-group.mcgill.ca/
