质子耦合电子转移(PCET).docxVIP

Robert R. Knowles教授可谓是美国普林斯顿大学化学系的新星，从2011年至今5年时间已经斩获7篇JACS，另有Angew、Chem. Sci.、ACS Catal.各一篇，数量不可谓多，但是每一篇都是质量上乘、独具特色，将“质子耦合电子转移（Proton-Coupled Electron Transfer, PCET）”成熟地应用于有机合成方法学中。近年来，光催化成为了有机合成方法学的一大热门，Acc. Chem. Res.也适时的推出了“光催化专辑”，其中就包括Knowles教授的大作（Synthetic Applications of Proton-Coupled Electron Transfer.?Acc. Chem. Res.,?2016,?49, 1546–1556, DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00272），该文完整的阐述了该研究小组发展PCET的历程，今天就让我们一起来解读一下吧~ 氢原子转移（Hydrogen atom transfer，HAT）是一种直接生成自由基中间体的基元反应。催化的HAT过程可以分为还原性HAT（底物为H受体）和氧化性HAT（底物为H供体）。目前的报道的方法大多局限于C-H键的直接均裂，其他的如O-H键、N-H键以及π-体系（如酮和亚胺）等的HAT过程，因受到热化学因素限制（thermochemical constraints），仍缺少有效的活化方法。 Figure 1. 传统HAT反应的挑战。图片来源：Acc. Chem. Res 如Figure 1所示，对于还原性HAT过程，常见H供体Mn-H的键离自由能（Bond Dissociation Free Energy，BDFE，该数值反映了化学键均裂的难易程度）均大于50 kcal/mol，HAT目标产物的O-H键离自由能仅16 kcal/mol，这说明产物相对于原料更容易反应；对于氧化性HAT过程，如酰胺的N-H键BDFE为110 kcal/mol作用，而HAT目标产物的BDFE要小于98 kcal/mol，整个过程的吉布斯自由能是升高的（约12 kcal/mol），因此属于热力学禁阻。 自然界存在的大量氧化还原反应（如光合作用、呼吸作用等）中，电子的转移经常伴随着质子的同步迁移，这种现象称为质子耦合电子转移（Proton-Coupled Electron transfer, PCET）。PCET与传统的氧化还原反应最大的不同在于：电子和质子可以来自相同或不同的供体，流向相同或不同的受体。从热力学角度分析, HAT的难易程度取决于BDFE的大小，后者与H原子供体的pKa大小及其共轭碱的还原性密切相关，然后事实上这两种因素往往呈现负相关（Figure 2A）；对于多位点的PCETs，北卡罗莱纳大学教堂山分校的James M. Mayer教授提出了新的适用于PCET的热力学图形公式（Figure 2B），并引入“有效键离自由能”（effective BDFE，常标记为“BDFE”）的概念。在这个过程中，pKa和还原电势没有直接的相关性，可以分别调节，使得“BDFE”的可变范围增大，从而实现化学键的选择性活化，如在强、弱C-H键同时存在的情况下，可以选择性的活化较强的C-H键（Figure 2C）。 Figure 2.（A）决定BDFE的热力学循环图示；（B）PCET过程的“有效键离自由能”；（C）PCET机理；（D）PCET的动力学优势。图片来源：Acc. Chem. Res. PCET比分步的质子迁移/电子转移过程更具有动力学优势，反应的能垒更低（Figure 2D），因此温和条件下的HAT可能性大大提高。事实上，生物体内的酶正是利用了这种动力学优势，才得以在水相、温和条件下发挥高效催化活性，从而保障生物体的新陈代谢。 还原性PCET催化 苯乙酮的还原电势约为-2.48V（vs Fc），且羰自由基的O-H键的BDFE仅为26 kcal/mol，这说明了传统的H自由基对羰基的加成反应几乎不可行。Knowles教授设想利用光催化剂/布朗斯特酸的组合来实现还原性PCET，生成羰自由基（ketyl radical），进而发生分子内羰基和α,β-不饱和酯的还原偶联反应，其中二氢吡啶（Hantzch Ester）为最终的H原子供体（Figure 3）。 Figure 3. 羰基-烯烃的还原偶联反应机理。图片来源：Acc. Chem. Res. Knowles研究小组首先利用Mayer公式计算了系列还原态光催化剂/酸组合的“BDFE”，并在实验中验证了：（1）当“BDFE”明显高于羰自由基O-H的BDFE（26 kcal/mol）时（33 kcal/mol），没有产物生成：（2）当“BDFE”接近或小于26