導(dǎo)讀

近日，英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)Eli Zysman-Colman教授和美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Tehshik P. Yoon教授合作，通過用電子給體咔唑單元修飾特權(quán)吡啶雙(噁唑啉)配合物的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)映選擇性光催化劑家族。其手性配體可從市售的手性源材料出發(fā)，通過三步合成獲得，并且其電荷轉(zhuǎn)移光化學(xué)性質(zhì)可被合理調(diào)控，以優(yōu)化光催化活性。作者在三個(gè)模型不對(duì)稱反應(yīng)中展示了這些新手性光催化劑結(jié)構(gòu)的普適性。文章鏈接DOI：10.1126/science.aeb5832

正文

為特定合成應(yīng)用確定最佳手性催化劑結(jié)構(gòu)是對(duì)映選擇性合成的核心挑戰(zhàn)，通常需要進(jìn)行大量經(jīng)驗(yàn)性的、迭代的優(yōu)化。這些工作受益于“特權(quán)”手性催化劑的存在，它們通常是催化劑精細(xì)化的良好起點(diǎn)（圖1A）。由于不對(duì)稱反應(yīng)優(yōu)化通常需要考察許多催化劑類似物，最常見的特權(quán)催化劑框架是模塊化的，能夠微調(diào)手性環(huán)境并生成用于篩選的催化劑類似物庫(kù)。當(dāng)催化劑可以從市售的對(duì)映體純?cè)希ā笆中栽础保┮宰钌俚牟襟E合成時(shí)，這一點(diǎn)尤其實(shí)用。

圖1.特權(quán)光催化劑的設(shè)計(jì)（圖片來源：Science）

不對(duì)稱光催化中，高效且通用的手性光催化劑非常稀缺。大多數(shù)現(xiàn)有光催化劑合成路線長(zhǎng)、需要手性拆分，且適用范圍有限。雖然有一些“特權(quán)結(jié)構(gòu)”催化劑（如 bis(oxazoline)、BINOL磷酸等）在基態(tài)反應(yīng)中表現(xiàn)優(yōu)異，但它們?cè)诠獯呋袘?yīng)用受限（圖1B）。開發(fā)一類合成上易得、結(jié)構(gòu)可調(diào)、機(jī)制上通用的特權(quán)手性光催化劑，可以促進(jìn)其更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，并極大地加速不對(duì)稱光化學(xué)的進(jìn)展。

吡啶雙(噁唑啉)配合物是最被深入理解的特權(quán)催化劑結(jié)構(gòu)之一，其中心吡啶配體作者設(shè)想可作為CT(charge-transfer，電荷轉(zhuǎn)移)光催化劑的受體部分。作者認(rèn)為，在吡啶的4-位引入咔唑單元，將在咔唑?yàn)橹行牡淖罡哒紦?jù)分子軌道和吡啶為中心的最低未占分子軌道之間產(chǎn)生一個(gè)可及的CT躍遷。此外，類似于吖啶、咔唑基聯(lián)吡啶和其他給體-受體系統(tǒng)的路易斯酸配合物，預(yù)期吡啶基團(tuán)與路易斯酸的配位將穩(wěn)定LUMO，這將轉(zhuǎn)化為更低的S1態(tài)能量，理想情況下可達(dá)可見光激發(fā)范圍。類似的給體-受體pybox配合物先前已被合成用于圓偏振發(fā)光應(yīng)用，但此類配合物尚未在光催化背景下被探索。

作為對(duì)設(shè)計(jì)策略的初步測(cè)試，作者以合成Cz-tBu-pybox配體L1為目標(biāo)。已知的氯化前體2可以通過成熟的兩步一鍋法程序輕松制備，在常規(guī)的親核芳香取代條件下，咔唑單元可以高產(chǎn)率地安裝上去。這種合成方法具有高度模塊化：手性噁唑啉定義的立體化學(xué)環(huán)境可以通過使用市售的各種對(duì)映體純氨基醇開始合成來改變，而配體的電子性質(zhì)可以使用SNAr步驟中不同的N-雜環(huán)給體輕松調(diào)節(jié)。因?yàn)榕潴w的立體化學(xué)信息來源于手性源，所以該配體可以通過簡(jiǎn)單的柱層析純化，無需手性拆分。

圖2.紫外-可見吸收光譜（圖片來源：Science）

接下來，使用紫外-可見吸收光譜驗(yàn)證了本文的CT設(shè)計(jì)原理（圖2）。隨著取代基從H變?yōu)镹Me2再變?yōu)镃z，吸收光譜的起始逐漸發(fā)生紅移；然而，這些自由配體在400 nm以上都沒有強(qiáng)吸收。加入Sc(OTf)3作為代表性路易斯酸，導(dǎo)致每種配體的UV-vis吸收發(fā)生紅移，使L1能夠吸收可見光。與這些數(shù)據(jù)一致，加入Sc(OTf)3后，L1的溶液顏色從無色變?yōu)辄S色。與母體配體L1和配合物[Sc(Cz-tBu-pybox)(OTf)3]相比，在Cz的3-位和8-位用吸電子CF3基團(tuán)或給電子OMe基團(tuán)取代，會(huì)使吸收發(fā)生藍(lán)移或紅移。這意味著HOMO能級(jí)被選擇性調(diào)節(jié)，并且低能量吸收帶的性質(zhì)確實(shí)是CT。這些結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系趨勢(shì)得到了密度泛函理論計(jì)算的支持。該系列配體的穩(wěn)態(tài)發(fā)射光譜反映了激發(fā)態(tài)能量的相同趨勢(shì)。

在DCM中對(duì)配體和配合物進(jìn)行的時(shí)間分辨光致發(fā)光測(cè)量顯示了多指數(shù)衰減動(dòng)力學(xué)，配合物的最長(zhǎng)壽命組分在7到17納秒之間，而配體的最長(zhǎng)壽命組分往往稍快。最小的ΔEST為0.18 eV，對(duì)應(yīng)[Sc((CF3)2Cz-tBu-pybox)(OTf)3]，其在DCM中的激發(fā)態(tài)壽命是該族配合物中最長(zhǎng)的。

接下來，在系列模型不對(duì)稱光反應(yīng)中評(píng)估了這些光催化劑的潛力。每個(gè)模型反應(yīng)先前都是在雙催化條件下報(bào)道的，使用手性Sc/pybox催化劑與消旋的Ru基或Ir基光催化劑串聯(lián)。最初，考察了由α-硅基苯胺的光催化氧化引發(fā)的對(duì)映選擇性Giese型α-氨基自由基加成反應(yīng)。使用[Sc(Cz-iBu-pybox)(OTf)?]同時(shí)作為光催化劑和立體誘導(dǎo)源，確定了反應(yīng)條件，在此條件下可以生成Giese加成產(chǎn)物5a，其產(chǎn)率和ee值與原報(bào)道完全相同。在所有情況下，都觀察到相似的高產(chǎn)率和對(duì)映選擇性。這些結(jié)果表明，咔唑單元的引入并沒有實(shí)質(zhì)性地?cái)_亂Sc(III)中心周圍的手性環(huán)境。事實(shí)上，改變Cz-pybox骨架上噁唑啉的取代基，導(dǎo)致了在雙催化劑系統(tǒng)中觀察到的相同的對(duì)映選擇性趨勢(shì)，由亮氨醇衍生的iBu噁唑啉在兩種系統(tǒng)中都提供了最優(yōu)的ee值（圖3）。

圖3.對(duì)映選擇性應(yīng)用（圖片來源：Science）

在確立了[Sc(Cz-iBu-pybox)(OTf)3]作為不對(duì)稱光氧化還原催化劑的有效性后，接下來考察了其在不對(duì)稱光誘導(dǎo)能量轉(zhuǎn)移反應(yīng)中的性能。選擇了一個(gè)2'-羥基查爾酮6的模型[2+2]光環(huán)加成反應(yīng)，與光氧化觸發(fā)的Giese加成一樣，也能夠確定反應(yīng)條件，在該條件下形成環(huán)丁烷產(chǎn)物8，其產(chǎn)率、立體選擇性和普適性幾乎與原報(bào)道相同，這表明[Sc(Cz-iBu-pybox)(OTf)3]可以同時(shí)充當(dāng)手性路易斯酸催化劑和三重態(tài)敏化劑的角色。在這些研究中，雙催化劑系統(tǒng)中最佳的叔亮氨醇衍生的噁唑啉取代基在Cz-pybox骨架上也被證明是最理想的。即使反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)也可以在低負(fù)載量的手性催化劑下進(jìn)行，這與單催化劑系統(tǒng)相對(duì)于雙催化方法在動(dòng)力學(xué)上具有優(yōu)勢(shì)的假設(shè)一致。這些結(jié)果表明，在先前應(yīng)用中廣泛使用pybox配體所獲得的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，可以很容易地轉(zhuǎn)化到由這個(gè)光催化劑家族介導(dǎo)的光氧化還原和激發(fā)態(tài)反應(yīng)中。

圖4. Giese加成反應(yīng)的其他應(yīng)用（圖片來源：Science）

雙催化不對(duì)稱光反應(yīng)的一個(gè)重要策略特征是能夠改變光催化劑結(jié)構(gòu)，以合理優(yōu)化熱力學(xué)參數(shù)，如三重態(tài)能量和氧化還原電位。對(duì)配體L1-L3與Sc(OTf)3的1:1混合物進(jìn)行的循環(huán)伏安研究表明，Eox值呈現(xiàn)出直觀的趨勢(shì)。盡管引入這些不同的咔唑給體基團(tuán)顯著改變了相應(yīng)Sc配合物的光物理和電化學(xué)性質(zhì)，但通過三苯基氧膦路易斯酸探針的31P核磁譜判斷，這些配合物具有幾乎相同的路易斯酸度。

修改催化劑電化學(xué)性質(zhì)的能力在將此類光催化劑應(yīng)用于對(duì)映選擇性α-氧基自由基Giese加成反應(yīng)中被證明至關(guān)重要。盡管這個(gè)反應(yīng)與上述α-氨基自由基加成反應(yīng)表面上相似，但α-硅基醚9比α-硅基胺3更難氧化。與這個(gè)反應(yīng)需要更強(qiáng)的氧化電位一致，作者發(fā)現(xiàn)[Sc(Cz-iBu-pybox)(OTf)3]不是此轉(zhuǎn)化的有效光氧化還原催化劑。然而，含有吸電子三氟甲基基團(tuán)的催化劑[Sc((CF3)2Cz-iBu-pybox)(OTf)3]由于其對(duì)自由基前體和Giese受體都表現(xiàn)出相似的底物普適性，被證明在此Giese反應(yīng)中非常有效，在改變?cè)w系其他反應(yīng)參數(shù)后，母體Giese加成產(chǎn)物以高產(chǎn)率和優(yōu)異的對(duì)映選擇性獲得（圖4）。

盡管本文探討的所有三個(gè)模型反應(yīng)都可以用雙催化劑系統(tǒng)完成，但在許多情況下，使用手性光催化劑可以解鎖新的反應(yīng)性或選擇性。使用Cz-pybox平臺(tái)能夠以高產(chǎn)率和對(duì)映選擇性合成多種先前難以獲得的芳基取代的Giese加合物。這種反應(yīng)性的差異可能是由于缺電子咔唑光催化劑的高度氧化性，導(dǎo)致這兩種光催化劑的激發(fā)態(tài)在能量轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移過程之間分配不同。除了確立Cz-pybox光催化劑替代雙催化劑系統(tǒng)的能力，這些結(jié)果也突顯了該平臺(tái)在開發(fā)獨(dú)特的不對(duì)稱光反應(yīng)方面的有效性。

總結(jié)

作者開發(fā)的手性光催化劑平臺(tái)已經(jīng)具備了成熟的、高度通用的特權(quán)催化劑系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵特征。首先，從市售手性源材料出發(fā)，Cz-pybox配體的簡(jiǎn)短、模塊化合成，能夠快速合成具有多個(gè)可調(diào)特征的催化劑類似物。第二，手性路易斯酸配合物的光電性質(zhì)很容易被理解為源于可及的給體-受體電荷轉(zhuǎn)移態(tài)，這有助于對(duì)其進(jìn)行合理調(diào)控，以優(yōu)化機(jī)制不同的光反應(yīng)。最后，由于這種光催化劑設(shè)計(jì)利用了pybox配合物的核心結(jié)構(gòu)特征，而pybox配合物是已知的最被深入理解和多功能的特權(quán)催化劑之一，預(yù)期這些手性光活性路易斯酸將展現(xiàn)出類似的一般性能力，能夠控制機(jī)制多樣的光催化反應(yīng)的對(duì)映體決定態(tài)。

文獻(xiàn)詳情：

Riley M. Kelch, Lea H?mmerling, Eli Zysman-Colman*,Tehshik P. Yoon*. Modular enantioselective photocatalysts from privileged pybox scaffolds. Science，2026，https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb5832

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