第一作者：Chase A. Salazar
通訊作者：Shannon S. Stahl
通訊作者單位：威斯康星大學麥迪遜分校
傳統的Pd催化反應缺點
Pd催化C-H鍵氧化反應能夠廣泛將藥物、農藥以及其他領域中的各種復雜有機分子合成變得更加簡單方便，但是目前的方法中Pd催化劑的擔載量有時需要非常高（有時會達到10 mol %），而且反應中需要加入大量氧化劑（甚至超過化學計量比，比如苯醌、Ag(I)），嚴重影響了Pd(II)催化在有機合成反應中的應用。
主要內容
有鑒于此，威斯康星大學麥迪遜分校Shannon S. Stahl等報道了對代表性Pd催化C-H鍵氧化芳基化反應的機理研究，從機理上理解削弱催化性能的因素（底物發生的副反應、催化劑的失活），同時揭示了在反應中加入醌作為共催化劑，能夠解決以上缺點。
通過2,5-二叔丁基對苯醌作為助催化劑，以O2作為氧化劑，當Pd催化劑的量為0.05 mol %，Pd催化劑的TON達到＞1900（對比以往的Pd催化反應，TON僅僅為13），同時在對苯乙酸鄰位C(sp2)-H的活化反應中，實現了中等到優異的C-H鍵芳基化結果。
圖1. Pd催化反應條件優化
反應條件的優化/苯醌助催化作用
反應優化。以三氟苯乙酸、對氟苯硼酸酯作為反應物，以0.15 mol % Pd(O2CR)2/10 mol % Ac-lle-OH/30 mol % 含烯烴結構的醌作為助催化劑，加入2倍量KHCO3，在tAmylOH中反應。
圖2. 苯醌分子助催化劑優化
考察了不同苯醌對反應的影響，發現對苯醌/叔丁基對苯醌對Pd催化劑的TON提升效果較弱，在對苯醌分子中引入多個取代基形成具有高度烷基位阻的對苯醌，TON得以大幅度提高。比如2,6-二甲基對苯醌（TON=230）、四甲基對苯醌（TON=574）、2,5-二叔丁基對苯醌（TON=667）。隨后將Pd的量降低至0.05 mol %，發現加入2,5-二叔丁基對苯醌，反應的轉化率達到98 %，催化劑TON達到1960。
機理研究
通過控制性實驗，驗證了反應中加入20 mol %對苯醌前后，反應的產率由1 %提高至83 %。對比考察了O2的壓力對反應的影響，發現6.4 atm O2氣氛中反應比1 atm O2條件中的反應轉化有大幅度提升，由此作者認為反應循環中O2和H+生成H2O過程是決速步驟。此外，作者通過對比對苯醌、2,5-二叔丁基對苯醌的催化反應動力學，發現2,5-二叔丁基對苯醌導致反應速率大幅度提高。
圖3. 催化反應機理研究（控制性反應、動力學研究）
作者介紹
Shannon S. Stahl教授一直致力于綠色化學方面的研究，包括氧氣參與的氧化反應、利用太陽能驅動反應、均相催化劑和合成方法學、電催化、電化學合成、電化學能量儲存和轉化等。
Shannon S. Stahl于1992年獲得伊利諾伊大學香檳分校學士學位，1997年于加州理工學院獲得博士學位（導師：John E. Bercaw，課題：Pt(II)活化烷烴的機理），1997~1999年于麻省理工學院進行博士后工作（導師：Stephen J. Lippard，課題：甲烷單氧化酶的酶機理）。
https://stahl.chem.wisc.edu/
參考文獻：
Chase A. Salazar, Kaylin N. Flesch, Brandon E. Haines, Philip S. Zhou, Djamaladdin G. Musaev and Shannon S. Stahl*, Tailored quinones support high-turnover Pd catalysts for oxidative C–H arylation with O2, Science 2020,
DOI: 10.1126/science.abd1085
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/11/18/science.abd1085
前期相關工作
Bruns, D. L.; Musaev, D. G.; Stahl, S. S. Can Donor Ligands Make Pd(OAc)2 a Stronger Oxidant? Access to Elusive Palladium(II) Reduction Potentials and Effects of Ancillary Ligands via Palladium(II)/Hydroquinone Redox Equilibria，J. Am. Chem. Soc. 2020 DOI: 10.1021/jacs.0c09464.
