通过促进基质/催化剂相互作用实现氮中心自由基与氮化碳的光催化环化

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研究背景

五元杂环化合物，如二氢吡唑及其不饱和对应吡唑，广泛存在于药理活性分子、农用化学品、天然产物和合成配体中。通过光催化分子内加成氮中心自由基来合成氮杂环具有大量优点。尽管如此，由于大多数N-H键的高键解离自由能 (BDFE)，直接从N-H键产生以氮为中心的自由基具有挑战。通过自然光合作用过程中的质子耦合电子转移 (PCET) 过程开发了一种结合碱和光催化剂的氧化去质子化电子转移策略。吖啶盐及基于钌和铱的过渡金属配合物已被证明是制备二氢吡唑骨架的良好光催化剂。但是均相催化剂领域在成本、催化剂回收率、稳定性等方面仍存在许多问题。 因此，开发用于无金属多相光催化杂环合成的有效和选择性策略仍然是非常重要的。调整半导体光催化剂与基底之间的界面相互作用被认为是重要方法。非均相催化剂的表面性质是至关重要的，因为它们影响基底-催化剂相互作用和电荷载流子的迁移率。在非均相催化剂中调控表面性质也为通过调节反应动力学促进选择性有机反应提供了相当大的机会。

得益于高热稳定性和化学稳定性、优异的光伏特性以及独特的电子结构，聚合氮化碳 (CN) 材料已被证明是用于各种催化反应的有效光催化剂。CN材料具有独特的表面性质，这可以赋予系统以原始材料中不存在的催化活性。然而，目前大多数用于选择性有机合成的CN光催化剂都集中在热力学过程上。通过调整催化剂和底物之间的界面相互作用来提高内在活性仍然具有挑战性。

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成果简介

福州大学王心晨、成佳佳教授开发了具有丰富的-NH2的尿素衍生的氮化碳，催化剂带正电荷的表面可以有效地与去质子化的阴离子中间体络合，以改善有机反应物在催化剂表面的吸附。所制备的催化剂可用于氮中心自由基的光催化环化，可以合成具有高活性和可重复使用的多种药物相关化合物（33 个实例）。该工作以“Photocatalytic cyclization of nitrogen-centered radicals with carbon nitride through promoting substrate/catalyst interaction”为题发表在《Nature Communications》上。

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研究亮点

 

1. 降低的氧化电位和最高占据分子轨道位置的上移使得催化剂的电子夺取动力学在能量上更有利；

2. 设计了具有连续流动和光催化剂循环利用的克级反应装置。

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图文导读

 

图 1  氮中心自由基在氮化碳上的界面辅助催化环化。

如图1所示，提出了在CN上合成功能化二氢吡唑的多相光催化策略。制备了三种具有不同表面性质的CN样品（g-CN-U、g-CN-DCDA和K- PHI）。观察到具有丰富的-NH2的尿素衍生氮化碳（g-CN-U）和相对正表面可以有效地与原位生成的阴离子中间体络合，提高催化剂表面关键物质的吸附和活化。

图2 a g-CN-U、g-CN-DCDA、K-PHI的XR；b g-CN-U、g-CN-DCDA、K-PHI的FT-IR光谱；c g-CN-U、g-CN-DCDA、K-PHI的拉曼光谱；d不同光催化剂的光催化活性。

XRD分析证实了光催化剂的晶体结构和分层堆叠模式（图 2a）。在FT-IR中，可以观察到与庚嗪单元相关的特征峰，表明样品的框架相同。g-CN-U位于3250 cm-1附近的峰强度比g-CN-DCDA和K-PHI强，表明g-CN-U表面存在丰富的NH2基团。K-PHI在1000 cm-1的峰对应于NK键（图 2b）。K-PHI在2180 cm-1处的峰与氰胺官能团振动频率相关（图2c）。g-CN-U具有最高的光催化性能（图2d）。

图3a 自由基清除实验；b 开关灯实验；c ESR自旋捕获实验；d 不饱和β,γ-腙在g-CN-U上的光催化加氢反应时间曲线；e 加入TEMPO的反应产物；f 在氘代溶剂中进行反应。

自由基清除剂（TEMPO、BQ 或 DMPO）的加入显着抑制了产物的形成（图 3a）。光开关实验排除了链式过程（图3b）。ES光谱揭示了一种以碳为中心的自由基物种（图 3c）。TEMPO捕获产物证实了这一假设（图 3e）。然后在 CDCl3中进行反应（图3f），2 h和2 h'的比例为1:1，总产率为33%，证实了产物来自CHCl3的部分氢源。零级动力学曲线表明，决速骤是由于活性物质在g-CN-U 表面的吸附而发生的（图 3d）。

图4a g-CN-U、g-CN-U/底物、g-CN-U/碱和 g-CN-U/底物/碱在 CHCl3中的稳态光致发光光谱；b 在450 nm (λexc = 390 nm) 处的稳态发射强度和不同的底物浓度的Stern-Volmer分析；c CV；d不同pH下样品的Zeta电位。

如图4a所示，当存在碱或腙时，混合物显示出不变的发射强度。当同时加入腙和碱时，发射信号显着减弱。Stern-Volmer研究也可以支持g-CN-U和去质子化腙之间加强的相互作用。如图 4b所示，去质子化腙和g-CN-U之间的电子转移速率比其他催化剂发生得更快。如图 4c所示，在所有的催化剂中，g-CN-U显示出最低的氧化过电位，这由于g-CN-U与阴离子中间体之间更强的相互作用。Zeta电位测量表明在大多数 pH 范围内，K-PHI和g-CN-DCDA表现出比g-CN-U更大的负电位（图 4d）。

图5a β,γ-不饱和腙环化的底物范围；b其他反应类型。

如图5a所示，反应在苯基衍生的底物上顺利进行，在不同的位置产量高 ( 2a-l )。双取代的 β,γ-不饱和腙衍生物作为有效的环化底物 ( 2m–o）。含有杂环部分的腙具有良好的耐受性，具有33%的产率。烷基取代的腙，包括伯、仲和叔脂肪族基团，可以顺利进行 ( 2q–t )。范围可以扩大到包括在α位或末端烯烃部分具有烷基的腙（2 u,v）。光催化生产2a在420 nm处的表观量子效率 (AQE) 为7.47%。如图 5b所示，g-CN-U催化剂可以促进β,γ-不饱和肟（2aa）的光催化环化。g-CN-U 也被证明是与 [Co]助催化剂结合使用的合适光催化剂，以70-72%的分离产率提供稠合三环产物 ( 3a,b )。除此之外，g-CN-U对自由基烯烃全氟烷基化表现出令人满意的活性，并伴随有β-官能化 ( 5a–c )。这一结果表明，在g-CN-U上有效生成了一种反应性全氟烷基自由基物质，它可以直接与碳中心自由基中间体偶联或攻击底物的富电子CC双键。以碘代环己烷为偶联底物（7a-c）切换转化的选择性，得到卤环化产物。

图6具有连续流动和光催化剂循环利用的克级反应装置。

使用g-CN-U的光催化过程在反应体积、反应物起始浓度和稳定性方面表现出良好的放大潜力（图 6）。使用连续流动装置，二氢吡唑衍生物的收率可以达到 68%，反应时间可以进一步缩短到一半。此外，g-CN-U还具有良好的稳定性。

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总结与展望

 

作者证明了聚合物半导体g-CN-U是一种高效且稳定的无金属催化剂，可用于光催化生产各种药物相关杂环，产率高且底物范围广，揭示了催化剂与底物之间的界面耦合是促进反应的关键。g-CN-U与表面配合物体系可以通过碱和可见光的协同组合促进NH键的高选择性氧化为以氮为中心的自由基。化学吸附底物-g-CN-U表面复合物的形成归因于丰富的NH2基团和g-CN-U上相对带正电荷的表面，通过静电引力和氢键作用与去质子化的阴离子腙有效偶联。导致腙的氧化电位发生变化，从而更容易去除电子并产生以氮为中心的自由基。这项工作为从动力学的界面相互作用的角度有效改性氮化碳或其他无金属光催化剂提供了有用的参考。

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文献链接

 

Photocatalytic cyclization of nitrogen-centered radicals with carbon nitride through promoting substrate/catalyst interaction (Nat. Commun. 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32623-3)

文献链接： 

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32623-3

审核编辑 ：李倩