金属有机单层催化剂活化卤代烃参与光催化Heck类偶联反应

单电子还原卤代烃产生烷基自由基通常需要紫外光或者强还原剂。吡啶与卤代烃的S_N2反应生成的吡啶鎓盐，可以在相对温和的条件下被光敏剂还原产生自由基。吡啶鎓盐的邻位取代基可以促进烷基自由基的解离，却限制了S_N2活化反应的速率。

近日，芝加哥大学林文斌教授（点击查看介绍）团队通过金属有机单层（MOL）的合理设计，构建了含有光敏剂和吡啶的催化剂，用于光催化卤代烃与烯烃的Heck类偶联反应。在MOL中引入的无邻位取代的吡啶，可以原位与卤代烃反应生成吡啶鎓盐，接收来自相邻光敏剂的光电子从而被还原产生烷基自由基。相邻的光敏剂和吡啶促进了光电子转移，从而使无邻位取代的吡啶鎓盐也可以高效地产生烷基自由基（4.6倍效率提升），并使这一反应可以被应用于S_N2反应较慢的二级卤代烃和非活化卤代烃。

图1. MOL用于光催化自由基Heck类偶联反应。

作者通过HfCl₄与光敏性双羧酸配体IrF的溶剂热反应合成了光敏性MOL——Hf-IrF，再通过后修饰引入吡啶丙酸得到了MOL催化剂Hf-IrF-PPA。透射电子显微镜和原子力显微镜确定了Hf-IrF的形貌为水平直径100-300 nm、厚约1.5 nm的纳米片。经过修饰得到的Hf-IrF-PPA厚度略增加至2 nm。粉末多晶衍射表明MOL是由Hf₁₂ 金属团簇和光敏性配体形成的具有六方对称性的周期性结构。Hf-IrF-PPA消解样品的核磁共振氢谱则确定了吡啶丙酸和光敏剂的摩尔比为1：1。这些结果都支持作者提出的MOL结构模型。

图2. MOLs的合成与表征。

作者首先探究了邻位取代吡啶与光敏剂协同的均相催化条件，并实现了溴代乙酸乙酯与1,1-二苯乙烯的偶联。相同条件下，溴代丙酸乙酯和1-溴-3-苯基丙烷由于对S_N2反应的活性降低，无法在偶联反应中高收率得到产物。经过条件优化后，Hf-IrF-PPA成功地用于这一偶联反应，并且可以以78%和52%的产率得到溴代丙酸乙酯和1-溴-3-苯基丙烷的偶联产物。此外，活化或非活化的溴代/氯代烷烃都可以在Hf-IrF-PPA的催化下与苯乙烯衍生物偶联（总共19个反应实例）。口服抗凝剂苯丙羟基香豆素也可由此方法以71%的收率一锅合成。

图3. Hf-IrF-PPA催化的Heck类偶联反应底物

对于反应机理的研究表明，卤代烃会与Hf-IrF-PPA上的吡啶通过S_N2反应原位生成吡啶鎓盐，高效地淬灭临近光敏剂并产生烷基自由基。控制实验和红外光谱验证了反应体系中吡啶鎓盐中间体的产生。Stern-Völmer曲线则显示了在MOL上相邻的光敏剂和吡啶之间光电子转移效率的显著提升。此外，Hf-IrF-PPA可以从反应混合物中通过高速离心分离并重复利用，在五次反应循环中仍然保持高反应活性。

图4. 反应机理研究

这一成果近期发表在Journal of the America Chemical Society 上，文章的第一作者是芝加哥大学博士研究生范英杰。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Metal–Organic Layers with Photosensitizer and Pyridine Pairs Activate Alkyl Halides for Photocatalytic Heck-Type Coupling with Olefins

Yingjie Fan, Abigail L. Blenko, Steven Labalme, and Wenbin Lin*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c00258

团队（通讯作者）简介

林文斌教授于1994年在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学系获博士学位。1994至1997年在美国西北大学从事博士后研究。1997年至2001年在美国布兰迪斯大学化学系任助理教授。2001年到2013年任职于美国北卡罗来纳大学教堂山分校，并于2011年被聘为Kenan 杰出教授。2013年起担任美国芝加哥大学化学系James Frank教授席位。系中国科学院海外顾问组成员，香港研究资助委员会自然科学部委员(2012-2013年度兼任主席)，美国国立卫生研究院 NANO Study Section 常务会员。2011年入选美国科学促进会会士(AAAS fellow)；2023年当选为欧洲科学院院士。

林文斌教授所领导的研究团队是国际上最早进行理性设计合成金属－有机框架材料的团队之一，主要研究领域为功能材料、手性催化、光催化、纳米医学及化学药物设计等。林文斌教授研究组在2005年首次成功开发出有高手性选择性的金属有机框架化合物不对称催化剂，同时在利用金属有机框化合物发展非线性光学材料及人工光合作用方面的研究走在国际前列，所发展的具有二阶非线性光学性质的金属有机材料是是最早进行晶体工程方法控制金属有机化合物的尝试之一。近年来，林文斌教授团队创造性地开发了多种基于金属有机框架纳米粒子的生物可降解性、高药物载量以及分子可调控性的新型纳米抗癌药物并率先报导了局部纳米药物递送用于局部免疫激活与系统性免疫治疗相结合的癌症治疗新思路。为了推动相关产品的临床转化，林文斌教授创立了名为 Coordination Pharmaceuticals 的生物医药公司。他和他的团队研发的五个抗癌药物已在进行临床试验并取得良好的临床结果，其中一项试验已成功进入二期。

林文斌教授目前已在包括Nat. Chem., Nat. Biomed. Eng., Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Matter, Chem, Angew. Chem. Int. Ed等世界顶级杂志上发表文章430余篇，文章被引用超过77000次 (h-index >136) ，同时他还担任多本著名杂志的顾问，比如Chem. Sci., Chem. Mater., ACS Catal, Inorganic Chemistry Frontiers 和Asian J. Org. Chem.等，林文斌教授在科研工作中取得的卓越成就，使其于2009年入选由发表文章影响因子确定的1999-2009年度全球“十大化学家”(“Top ten chemists”，by Thomson Reuters)。

林文斌

http://www.x-mol.com/university/faculty/1445 

课题组链接

http://linlab.uchicago.edu/index.html