自由基捕獲實驗結果另有玄機？讀讀這篇Science
2021-07-03由 X一MOL資訊 發表于 漁業
自由基是怎麼產生的
本文來自微信公眾號：X-MOLNews
副標題：光催化C-H活化中不可忽視的氯自由基複合物
最近幾十年，化學家一直致力於發展新型的方法將地球儲量豐富的小分子（如甲烷、乙烷）轉化為高附加值產物，這也是化學工業的核心目標。然而，由於甲烷極化率低、鍵解離能高（105 kcal mol-1），因此要想實現甲烷的C-H鍵活化仍頗具挑戰。目前的高效催化劑不僅需要貴金屬（如Ru、Ir、Pd、Rh等），而且需要高溫來提供反應活化能，這與工業中對規模性和經濟性的要求相差甚遠。2018年，上海科技大學的左智偉團隊發展了一種廉價、高效的均相鈰催化劑，可在室溫下實現甲烷的光化學胺化（
Science
，
2018
，
361
， 668–672 點選閱讀詳細）。值得一提的是，該鈰（IV）醇鹽（CeIV-OR）體系還可實現C-C鍵和C-N鍵偶聯、β-斷裂和1，5-氫原子轉移（HAT）反應。他們認為這可能是由於CeIV-OR物種在光照下生成烷氧基自由基（RO•），後者是實現烴類化合物HAT過程的關鍵物種。
近日，美國
賓夕法尼亞大學
的
Patrick J. Walsh
和
Eric J. Schelter
教授團隊提出了另一種解釋。他們證明了
烷烴的C-H鍵活化由光催化劑[NEt4]2[CeCl6]介導，RO•並不是中間體並且醇在烷烴活化過程中沒有任何實質性作用
。為此，他們提出了一種
基於[CeIVCl6]2-/[CeIIICl6]3-體系和Cl•的反應機理
。另外，作者還對C-H鍵活化進行了光譜分析和動力學研究，證實了氯自由基（Cl•）的生成是決速步。相關成果發表在
Science
上。
為了研究醇對［NEt4］2［CeCl6］（
1
）形態的影響，作者向
1
的乙腈溶液中新增HOCH2CCl3，並透過紫外可見光譜對其進行評估。結果顯示用HOCH2CCl3［0。002-0。108 M］ 進行滴定時，
1
的可見光譜（0。175 mM）變化可忽略不計（圖1A）。接著，作者在避光條件下向
1
的無水乙腈溶液中加入1 當量 NaOCH2CCl3便得到［NEt4］2［CeCl5（OCH2CCl3）］（
2
，圖1B）。與
1
相比，
2
的紫外-可見光譜吸收率更低且配體-金屬電荷轉移（LMCT）譜帶略微藍移（圖1A）。類似地，時間分辨紫外-可見光譜研究顯示
1
（0。20 mM）的光譜在有/無40當量HOCH2CCl3的情況下基本相同（圖1C、1D）。另外，
2
的含時密度泛函理論（TD-DFT）計算表明激發態會導致Cl•損失而不是RO•損失。綜上所述，這些結果證明
1
的光還原不受HOCH2CCl3的影響，並且由CeCl3、［N
n
Bu4］Cl和HOCH2CCl3混合物輻照產生的RO•可能不是烷烴活化的主要中間體。
圖1。 光譜研究。圖片來源：
Science
為了探究烷烴官能團化機理，作者利用紫外-可見光譜來監測
1
的化學計量光解動力學（圖2A-2C）。如圖2A所示，光還原速率與
1
的濃度呈現出線性的擬一級相關，證實了透過
1
的LMCT過程產生Cl•是反應的決速步。接著，作者考察了HOCH2CCl3對反應動力學的影響，結果顯示醇對反應動力學沒有任何影響（圖2C）。隨後，作者對環己烷與偶氮二羧酸二叔丁酯（DBAD）的胺化反應進行了動力學研究（圖2D-2F），並透過1H NMR監測反應速率，結果顯示環己烷胺化的起始速率對自由基捕獲劑（DBAD）是零級相關，這表明DBAD不參與轉換限速步（turnover-limiting step）。在此基礎上，作者提出了一種修正機理（圖2G）。首先，［CeIVCl6］2-經過光誘導的LMCT躍遷過程生成Cl•和“［CeIIICl5］2-”。然後，Cl•從烷烴中攫取一個氫原子生成碳自由基R•，後者被偶氮二羧酸鹽（如DBAD）捕獲生成氮自由基。接著，氮自由基被HCl質子化，並透過單電子轉移被“［CeCl5］2-”還原為產物並再生CeIV光催化劑
1
。值得一提的是，在有/無醇的情況下對環己烷胺化反應的時程研究得到了相同的結果，進一步表明反應機理中不涉及醇（圖2H）。
圖2。
1
的光化學反應性的動力學研究。圖片來源：
Science
接下來，作者研究了
1
對光催化烷烴C-H鍵活化的作用。如圖3A所示，當等摩爾的環己烷和環己烷-
d
12混合物在有/無HOCH2CCl3（20 mol％）的條件下進行反應時，得到了相同的AYs（50％）和產物比（［PH］：［PD］=2。1），這表明醇對底物C-H鍵或C-D鍵的活化收率或選擇性影響很小。為此，作者使用正己烷來研究醇對C-H鍵活化選擇性的影響。結果顯示在有/無醇的條件下，三個不等價C-H鍵的選擇性基本相同（圖3B，C1-H：C2-H：C3-H = 1。0：1。8：1。8）。這些結果表明醇對C-H鍵活化收率或選擇性的影響可忽略不計。
由於室溫下甲烷和乙烷在乙腈中的溶解度較差，因此作者在特定的容器中研究了
1
的效能以及醇對其光催化官能團化的影響。當無HOCH2CCl3時，乙烷的活化率高達90%；當有HOCH2CCl3時，乙烷的活化率為91%（圖3C）。類似地，將DIAD換為DBAD 便可研究甲烷的官能團化，但是收率較低，這可能是由於甲烷在乙腈中的溶解度差以及C-H 鍵解離能高。為此，作者透過增加乙腈的量來促進反應，最終得到43%的收率。值得一提的是，向反應中新增［NEt4］Cl（25 mol％）會使得AY提高至58％，這可能是由於過量的氯化物促進了催化劑
1
的再生。此外，當向反應中新增［NEt4］Cl（25 mol％）和HOCH2CCl3（20 mol％）後，甲烷活化率進一步提高到66％，這可能是由於高活性•CH3的特性所致。總之，這些結果表明
1
是該反應的
活性催化劑，而醇（即三氯乙醇）是透過氫鍵作用來穩定高活性•CH3，從而活化甲烷。
圖3。 ［NEt4］2［CeCl6］催化的反應以及HOCH2CCl3作為新增劑的影響。圖片來源：
Science
鑑於左智偉團隊報道RO•對於C-H鍵活化至關重要，並透過分離ARTPs來支援這一說法。為此，作者進行了自由基捕獲實驗，以進一步探究Cl•與
1
光化學的關係。如圖4A所示，當DIAD、［NEt4］Cl、苯乙烯、5 mol％
1
以及乙腈在無氧條件下於室溫照射24 h後，並未觀察到明顯的氯自由基捕獲產物（CRTP，收率< 5%）。但是，新增外部質子源（如三氟乙酸）後，可得到13％AY的CRTP（
5a
），這表明CRTP的形成需要氮原子的質子化。當在1當量HCl的存在下進行反應時，CRTP的收率為46％。此外，HCl和CH3OH的等摩爾混合物也能以44％的收率得到CRTP，這與光譜結果一致（即表明Cl•是在醇存在下形成的）。在HOCH2CCl3的存在下，也觀察到了CRTP的生成。在此基礎上，作者提出了可能的CRTP機理（圖4B），即光化學生成的Cl•與Cl-反應得到Cl2•-絡合物，後者加成到苯乙烯的末端碳上產生穩定的苄基自由基。隨後，苄基自由基與重氮鍵進行加成形成氮自由基。接下來，CeIII物種將質子化的氮自由基還原便可得到CRTP產物。
實際上，在左智偉團隊的條件下重複進行ARTPs反應，確實得到了產物
5b
（GC收率：50％）和
5c
（GC收率：25％）。這可能是由於Cl•會與醇（HOCH3或HOCH2CCl3）進行加成得到自由基加合物［Cl-OHR］•（R=CH3或CH2CCl3），後者上的氧原子與苯乙烯進行反應並消除HCl產生苄基自由基中間體，接著被DIAD捕獲便可得到
5b
和
5c
（圖4B）。這種可能的機理解釋了左智偉團隊觀察到的ARTPs（
5b
和
5c
），但是這些產物並不是直接從鈰醇鹽或RO•產生的。因此，
光化學生成的Cl•是該體系中的主要反應中間體，但是帶有Lewis鹼的電荷轉移加合物會掩蓋Cl•的特性，從而導致RO•的假象。
圖4。 自由基絡合實驗。圖片來源：
Science
最後，作者在新增劑的存在下研究了2，3-二甲基丁烷的C-H鍵活化，發現新增劑能夠將三級C-H鍵活化與一級C-H鍵活化的比例從0。51：0。49（無新增劑）分別提高到0。69：0。31（
t
BuOH）、0。81：0。19（苯）和0。76：0。24（
t
BuPh，圖4C）。此外，增加新增劑的濃度（0。04→4 M）也會提高選擇性，這是因為Cl•及其自由基加合物之間保持平衡，並且這些加合物更穩定，因此在烷烴活化反應中具有更高的選擇性。這些結果表明左智偉體系中的醇僅生成［Cl•］［醇］加合物，從而改變C-H鍵活化的選擇性。
總結
本文研究團隊證實了烷烴的C-H鍵活化由光催化劑［NEt4］2［CeCl6］介導，Cl•才是真正重要的中間體，而不是RO•。此外，光譜分析和動力學研究表明氯自由基（Cl•）的生成是反應的決速步。DFT計算則表明當醇存在時會形成［Cl•］ ［醇］加合物，這可能會掩蓋RO•的特性。這項工作也為化學家們提了一個醒，對自由基捕獲實驗結果的解釋應該更加謹慎。
Photocatalytic C–H activation and the subtle role of chlorine radical complexation in reactivity
Qiaomu Yang， Yu-Heng Wang， Yusen Qiao， Michael Gau， Patrick J。 Carroll， Patrick J。 Walsh， Eric J。 Schelter
Science
，
2021
，
372
， 847-852， DOI： 10。1126/science。abd8408