光電化學(xué)在有機(jī)合成中的應(yīng)用

蔡浩然，姚夏奕，曹宇超，陸澤鵬，卞江

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

1 引言

電化學(xué)有悠久的歷史，最早的電化學(xué)實例可以追溯到意大利科學(xué)家Volta，他在1800年發(fā)明了著名的伏打電堆[1]。在隨后兩百年的時間里，電化學(xué)領(lǐng)域吸引了一批又一批的有機(jī)化學(xué)家投身其中[2–7]，到如今電化學(xué)已發(fā)展成為一個獨立的化學(xué)分支領(lǐng)域。電化學(xué)過程能夠生成常規(guī)手段難以得到的高活性中間體，如自由基、自由基離子和電子轉(zhuǎn)移復(fù)合體等。此外，使用電力也可以減少各種氧化還原試劑的使用[8]，符合當(dāng)前低碳減排的發(fā)展趨勢和需求。然而在電解過程中，由于在電極表面和溶液的界面處電子的有效傳遞效率較低，因此電化學(xué)生成的物種容易發(fā)生過度還原(氧化)、自由基偶聯(lián)以及電極鈍化過程[9]等不利的副反應(yīng)。

與此同時，光化學(xué)在有機(jī)合成領(lǐng)域中也已取得了長足進(jìn)展，在近二三十年里得到廣泛關(guān)注[10–15]。光化學(xué)和電化學(xué)類似，都通過外界輸入能量來活化底物[8]，并且均以電子為中間物種[9]。然而，光化學(xué)亦有其局限性，如可見光能量太低，不能完成諸如由CO2和H2O制備葡萄糖等很多反應(yīng)[16–18]等。因此，隨著光化學(xué)和電化學(xué)的興起，有機(jī)合成化學(xué)家們開始將光化學(xué)和電化學(xué)結(jié)合起來，使得二者之間可以取長補(bǔ)短(圖1)。

圖1 光電化學(xué)的示意圖

光化學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合成為光電化學(xué)(photoelectrochemistry)，它主要分為以下三種方法：電介光 催 化(electrochemically-mediated photoredox catalysis，EPC)、 去 耦 光 電 化 學(xué)(decoupled photoelectrochemistry，dPEC)以及界面光電化學(xué)(interfacial photoelectrochemistry，iPEC)。本文將著重介紹前兩種方法，具體原因會在第3.3節(jié)談及。

2 電介光催化(EPC)

2.1 EPC的概念

Moutet和Reverdy在20世紀(jì)70年代首次采用EPC方法，研究了由電化學(xué)方法產(chǎn)生的吩噻嗪自由基陽離子的光激發(fā)[19]。他們首先用電化學(xué)方法，將吩噻嗪(phenothiazine，PTZ)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂苫栯x子PTZ?+然后通過光化學(xué)方法，使其與1,1-二苯基乙烯(1,1-Diphenylethylene，DPE)反應(yīng)，得到產(chǎn)物1和2(圖2)。隨后，Rusling證明，4-氯聯(lián)苯的還原可以通過由光和電激發(fā)生成的蒽自由基陰離子形式的超級還原劑來完成[20]。

圖2 吩噻嗪自由基陽離子的光致激發(fā)

由此可見，電介光催化的基本思路就是：使用電流生成氧化(還原)性物種，然后通過光照對該物種進(jìn)行活化，使其由基態(tài)成為激發(fā)態(tài)從而增強(qiáng)其氧化(或還原)能力。近年來，電介光催化的主要應(yīng)用有[8]：i) 替代有催化劑毒性的化學(xué)氧化劑或還原劑；ii) 在溫和條件下生成高活性的反應(yīng)中間體；iii) 活化具有高氧化還原電位的惰性化學(xué)鍵。

2.2 EPC的應(yīng)用

2.2.1 C―C鍵的合成

C―H鍵能高，而外加電流可活化C―H鍵[21]，這為C―C鍵的合成提供了一個思路。而使用光和電流共同作用，也能夠起到同樣的效果。下面介紹幾種不同的C―C鍵活化策略。

Ackermann小組報道了芳環(huán)的一種三氟甲基化方法[22](圖3)。他們選擇使用高氯酸(9-均三甲苯基-10-甲基吖啶) (9-Mes-10-methyl acridinium perchlorate，[Mes-Acr+]ClO4?)作為光催化劑，并以價格相對低廉的KOAc作為電解質(zhì)，在室溫條件下，在芳環(huán)上成功地引入了三氟甲基。在這個例子中，電化學(xué)和光化學(xué)步驟以串聯(lián)的方式進(jìn)行，使得催化劑量的染料催化劑活化，從而推動甲基化的反應(yīng)順利進(jìn)行。這正是EPC與dPEC之間的重要差別之一。

圖3 光電化學(xué)三氟甲基化及可能機(jī)理

三氟甲基自由基比較穩(wěn)定。那么，有沒有什么辦法能夠通過生成一個相對來說不穩(wěn)定的烷基自由基來實現(xiàn)C―C鍵的合成呢？廈門大學(xué)徐海超小組用羧酸解決了這個問題[23]。利用CO2作為氣體小分子的強(qiáng)可離去性帶來的反應(yīng)熵增效應(yīng)，推動烷基自由基的生成，可使烷基化反應(yīng)得以順利進(jìn)行。他們以取代喹啉3和環(huán)己酸4為原料，并以CeCl3?7H2O作為光催化劑、nBu4NCl為支持電解質(zhì)，在392 nm的LED燈下反應(yīng)17 h，最終以91%的產(chǎn)率分離出產(chǎn)物5 (圖4)。

圖4 喹啉的烷基化

他們也給出了另一種烷基化方法[24]，通過1,4-二氫吡啶衍生物以氧化芳構(gòu)化的形式來提供烷基自由基。以藍(lán)光和2 mA電流激發(fā)以及在光敏染料Mes-Acr+的催化下，喹啉6和二氫吡啶物種7發(fā)生反應(yīng)，能夠生成異丙基取代的產(chǎn)物8。

這類反應(yīng)也應(yīng)用了光敏催化劑的特性，機(jī)理大體類似。如他們亦發(fā)現(xiàn)酰胺9和叔丁基三氟硼酸鹽10可以在光敏化劑存在下制備吲哚衍生物11。該反應(yīng)使用氧化的方式使得C―B鍵發(fā)生斷裂生成叔丁基自由基(圖5)。

圖5 有烷基自由基生成的烷基化反應(yīng)

2.2.2 C―N鍵的合成

目前已經(jīng)有多種EPC反應(yīng)的催化劑。如，Lambert小組使用三(2,6-二甲基環(huán)己胺基)環(huán)丙烷正離子12 (Trisaminocyclopropenium，TAC+)作為反應(yīng)的光催化劑[25]，成功活化了C―H和N―H鍵，從而合成了C―N鍵。他們對氧化電位很高的苯(Eox= 2.48 V)進(jìn)行了研究。該反應(yīng)在使用1.5 V電壓、23 W的熒光燈(compact fluorescent light，CFL)以及催化量的TAC+的條件下進(jìn)行，成功實現(xiàn)了13的C―H和14的N―H之間的氧化偶聯(lián)反應(yīng)，最終以65%的產(chǎn)率得到了產(chǎn)物15 (圖6)。

圖6 C―H鍵胺化

還有一類C―N鍵合成的例子是疊氮化反應(yīng)。武漢大學(xué)雷愛文小組使用了EPC方法使疊氮化鈉參與反應(yīng)，在光照和電流的作用下利用Mn化合物的助催化作用，成功地得到了疊氮化的產(chǎn)物17[26](圖7)。經(jīng)過研究，他們提出了一種可能的機(jī)理。9-芴酮(9-fluorenone)經(jīng)過光激發(fā)得到激發(fā)態(tài)中間體，該中間體與化合物16經(jīng)過氫原子轉(zhuǎn)移(hydrogen atom transfer，HAT)過程后得到9-羥基芴自由基和芐位自由基，前者隨后在陽極上以單電子轉(zhuǎn)移(single electron transfer，SET)方式重新生成9-芴酮。MnII配合物與N3?離子配位，隨后在陽極被氧化，得到MnIII配合物。該配合物迅速同芐位自由基反應(yīng)，生成疊氮基取代的產(chǎn)物，同時生成MnII配合物。

圖7 光電化學(xué)疊氮化與可能機(jī)理

2.2.3 氧化

EPC方法的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移，因此使用EPC方法也能夠進(jìn)行氧化反應(yīng)。林松小組提出了一種EPC氧化環(huán)己醇的新策略[27]：用光敏染料四乙酸核黃素(riboflavin tetraacetate，RFT)及硫脲18催化，環(huán)己醇29便能在電流和光的協(xié)同作用下以96%的產(chǎn)率(91%的轉(zhuǎn)化率)成功被氧化為環(huán)己酮20 (圖8A)。

圖8 A) 光電化學(xué)方法對醇的氧化；B) 可能的中間體以及觀察到的偶聯(lián)副產(chǎn)物

硫脲18在這個反應(yīng)中起到了關(guān)鍵作用。林松小組設(shè)計了多組實驗，發(fā)現(xiàn)RFT經(jīng)光持續(xù)激發(fā)后可以持續(xù)產(chǎn)生巰基自由基18a，它會在后續(xù)步驟中充當(dāng)氧化劑的作用。他們在反應(yīng)中觀察到了18b中間體，表明有18a生成。

一般來說，一些高能中間體無法通過傳統(tǒng)方法生成，而EPC恰好能夠解決這個問題。實際上，單獨使用電流或者光照，或許已經(jīng)可以解決這類問題；但是將兩者結(jié)合起來使用，則會有事半功倍的效果。

將光能引入體系往往需要特殊的光敏染料作為催化劑，這樣才能將光能轉(zhuǎn)化為活潑的化學(xué)能并傳遞給底物，從而使反應(yīng)順利進(jìn)行。此類染料的性質(zhì)十分重要，但更為重要的是，這種光敏染料只需催化劑量就能夠支撐一個反應(yīng)的進(jìn)行，而不需要加入等當(dāng)量的物料，因此制備成本大大降低了。

EPC方法近年來越來越為有機(jī)化學(xué)家所青睞。然而該方法仍有很多問題亟待解決：1) 為確定反應(yīng)該使用什么波長的光需要反復(fù)的光譜分析得出結(jié)論，并且需要大量的實驗數(shù)據(jù)支持，程序極為繁瑣；2) EPC方法對反應(yīng)設(shè)備、反應(yīng)環(huán)境要求比較苛刻，因此要成為一種普遍的方法學(xué)還有很長的一段路要走。

3 去耦光電化學(xué)(dPEC)

前文討論過的EPC的特征是在反應(yīng)過程中，電化學(xué)和光化學(xué)步驟分步串聯(lián)進(jìn)行，來激活同一物種，最終生成目標(biāo)中間體。而dPEC的策略則是電化學(xué)和光活化在互不干擾的兩步起作用，如此可以分別激活兩個反應(yīng)機(jī)理中的不同組分。下面將介紹dPEC的一些應(yīng)用。

3.1 C―C鍵的合成

dPEC最早可以追溯到Scheffold等人的工作，他們使用VB12物種來催化一個反直覺的α,β-不飽和羰基化合物的?；映蒣28]。其中的一個例子使用乙酸酐來提供?；磻?yīng)過程中成功實現(xiàn)了?；杂苫?1的生成，這一關(guān)鍵步驟是通過光活化來實現(xiàn)的(圖9)。

圖9 伴隨酰基自由基生成的?；磻?yīng)機(jī)理

反應(yīng)過程中，VB12物種在陰極得到兩個電子，生成CoI配合物。首先乙酸酐對該配合物進(jìn)行氧化加成，生成酰基配合物物種，隨后在光催化下分解，生成CoII配合物與酰基自由基。然后，CoII配合物在陰極得到電子，還原成CoI配合物；而生成的?；杂苫?1與α,β-不飽和酯22發(fā)生1,4-加成，生成的自由基中間體在電流推動下被氫原子自由基(H?)捕獲，最終便得到了極性反轉(zhuǎn)的Michael加成產(chǎn)物。該循環(huán)的關(guān)鍵一步是Co―C鍵的均裂，這一步是通過光的參與而進(jìn)行的，而外加電流則起到啟動和維持反應(yīng)的作用。

3.2 C―N鍵的合成

HLF (Hoffmann-L? ffler-Freytag)反應(yīng)[29–31]在C―N鍵的合成中是常用的策略，該方法利用C―H鍵與N―H鍵之間的偶聯(lián)合成C―N鍵。這個方法最初只采用了電化學(xué)法。Stahl小組研究了如圖10所示的底物分子，總結(jié)了三種實現(xiàn)偶聯(lián)的策略[32]，即：i) ET-PT-ET法(electron transfer-proton transferelectron transfer)來形成芐基正離子；ii) 堿促的質(zhì)子耦聯(lián)電子轉(zhuǎn)移法(proton coupled electron transfer，PCET)來形成氮自由基；iii) 溴催化氧化法，以形成N―Br中間體。

Stahl小組認(rèn)為這些方法都有其局限性。電化學(xué)方法無法避免對富電子的非底物物種的無效氧化，因此極有可能得到出乎意料的產(chǎn)物。為保證氧化的效率，很多小組均嘗試過新方法：使用化學(xué)計量的化學(xué)氧化劑，加入催化量的碘化物并加以可見光照射[33–36]。該法也能夠?qū)崿F(xiàn)這一氧化過程，但仍然使用了外加的氧化劑。而Stahl小組則利用電化學(xué)代替了外加氧化劑。使用碘的好處是，它的氧化電位更低，因此它更加容易在較低的電壓下完成反應(yīng)循環(huán)；與此同時，碘循環(huán)能和更多的底物兼容，具備很好的普適性，因此可以在更多種類的合成中發(fā)揮作用(圖10)。

圖10 四種實現(xiàn)C―N鍵偶聯(lián)的方法

在合成化合物24b與25b的實驗(圖11)中[32]，Stahl小組的方法體現(xiàn)出了其優(yōu)勢。在該轉(zhuǎn)化過程中，24b分別在I、II、III條件下得到了理想的產(chǎn)率與轉(zhuǎn)化率，但生成25b的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率雖高產(chǎn)率卻不理想(如表1所示)。但是如果在圖11所示條件下使用TBAI催化該合成反應(yīng)，25b的產(chǎn)率可達(dá)75%，分離產(chǎn)率可達(dá)72% (圖11)。

圖11 碘催化電氧化

表1 幾種C―H胺化電化學(xué)方法的比較

dPEC方法與EPC方法的本質(zhì)區(qū)別在于光過程與電過程結(jié)合的緊密程度。顯然EPC方法將光過程與電過程作為連續(xù)步驟處理，實現(xiàn)了更為緊密的光電結(jié)合。

雖然dPEC本身并未將光、電的作用設(shè)計為緊密結(jié)合的連續(xù)步驟，但是光、電在催化循環(huán)中的作用都是不可或缺的。在dPEC方法中，通常光照在反應(yīng)關(guān)鍵步驟起到作用，而電流則起到了啟動和維持反應(yīng)進(jìn)行的作用。電化學(xué)相較于一般的氧化還原犧牲劑有如下的優(yōu)勢：1) 電化學(xué)可以調(diào)控氧化還原電位，不易出現(xiàn)過度氧化等現(xiàn)象；2) 電化學(xué)可以穩(wěn)定氧化還原過程，并且持續(xù)時間更長，不會像化學(xué)氧化還原犧牲劑一樣隨時間推移而消耗，最終造成反應(yīng)效率的下降。與EPC中光、電的協(xié)同作用相比，dPEC更傾向于以光化學(xué)作為反應(yīng)主導(dǎo)，而以電化學(xué)為輔助。

在界面光電化學(xué)(iPEC)中光化學(xué)則更為邊緣化。iPEC方法旨在以光激發(fā)半導(dǎo)體電極來生成電流，從而催化反應(yīng)的進(jìn)行[37–39]。iPEC法的重點在于：1) 如何尋找合適的半導(dǎo)體電極，使其光電流剛好能夠催化反應(yīng)進(jìn)行；2) 什么反應(yīng)恰好能夠在光電流的窗口電位內(nèi)進(jìn)行催化。本文側(cè)重于探討光電化學(xué)中光與電的充分結(jié)合對于反應(yīng)過程的促進(jìn)，而iPEC方法更關(guān)注電極材料的選擇，因此本文中不再對iPEC進(jìn)行討論。

此外值得一提的是，對于光電化學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)名詞，現(xiàn)在仍無通行的標(biāo)準(zhǔn)。在很多文獻(xiàn)中[8,40]，EPC、dPEC、iPEC等名詞之間的分別并不是那么清晰。

4 光敏染料分子

相當(dāng)數(shù)目的光電化學(xué)相關(guān)反應(yīng)中使用了諸如Mes-Acr+或RFT等有機(jī)染料分子，因此找到合適的有機(jī)染料分子是PEC必須解決的問題。顯然，大部分染料分子的吸收峰都在可見光區(qū)，這使得它們極易形成分子激發(fā)態(tài)。但在催化循環(huán)中，只具備該性質(zhì)并不足以成為PEC反應(yīng)的催化劑。活化后的有機(jī)染料分子同時要具備合適的電位，才能氧化或還原穩(wěn)定的C―H鍵或者N―H鍵。

本節(jié)針對現(xiàn)有PEC反應(yīng)使用過的光催化劑進(jìn)行了整理，并且對各種催化劑的電化學(xué)和光化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

4.1 兩種光敏分子催化的機(jī)理

K?nig小組對EPC方法提出了“SOMO-HOMO反轉(zhuǎn)”(SOMO-HOMO inversion)的概念[40]。無論是用于氧化還是還原反應(yīng)，光電催化劑都需要經(jīng)歷一個電激發(fā)過程與一個光激發(fā)過程以產(chǎn)生一個電介光氧化還原催化劑(electromediated photoredox catalyst)。例如，在電流作用下，還原劑分子的LUMO軌道上填入一個電子，該LUMO軌道變成SOMO軌道；隨后在光的作用下，HOMO軌道上的一個電子被激發(fā)到SOMO軌道上，最終表現(xiàn)出來的結(jié)果就像是HOMO軌道和SOMO軌道發(fā)生了“反轉(zhuǎn)”。例如9,10-二氰基蒽(9,10-Dicyanoanthracene，DCA)用作催化還原時與PTZ用作催化氧化時便是如此(圖12)。

圖12 “SOMO-HOMO反轉(zhuǎn)”示意圖

除了以HOMO-SOMO反轉(zhuǎn)的方式生成超級氧化劑或還原劑，更多數(shù)的分子僅通過光激發(fā)的方式生成氧化還原劑，此時電流起到再生催化劑的作用。例如前文中提到的Mes-Acr+催化劑，就是以這種方式活化的。

4.2 幾種染料分子的光譜吸收峰和氧化還原電位

表2中匯總了多個染料分子(圖13)的吸收光譜數(shù)據(jù)與激發(fā)后的氧化(還原)電位，并作了統(tǒng)計。

圖13 幾種染料分子的結(jié)構(gòu)式

表2 染料分子的吸收峰與氧化(還原)電位

可以發(fā)現(xiàn)，電介光氧化還原催化劑相比光催化劑具備更高的氧化還原電位，這使得諸如2.2.3節(jié)中的脂肪醇氧化反應(yīng)等需要高電位的氧化反應(yīng)，以及諸如鹵代芳烴還原反應(yīng)等需要強(qiáng)負(fù)電性的還原反應(yīng)有了可能性。

這種高電位的產(chǎn)生和共軛體系的電子密度密切相關(guān)。例如，在DCA中，兩個氰基取代之后的蒽環(huán)骨架，由于氰基的吸電子效應(yīng)，使蒽環(huán)具有一定的氧化性；而通過光、電的激發(fā)，可使其氧化性大大增強(qiáng)。這與基態(tài)2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌(2,3-dicyano-5,6-dichlorobenzoquinone，DDQ)被激發(fā)為三線態(tài)3DDQ*[43]有相似之處。同時，在PTZ中，由于氮和硫為給電子基團(tuán)，使芳環(huán)具有還原性；在光電激發(fā)后，PTZ便獲得了更強(qiáng)的還原性。

TAC+與Mes-Acr+同為陽離子，卻并未采取同一種催化機(jī)制。實驗證明，Mes-Acr+與TAC+在反應(yīng)中所扮演的角色并不相同，但Mes-Acr?與TAC+卻比較相近。

據(jù)我們推測，這與電介光氧化還原催化劑*TAC2+·中的六個甲基的位阻效應(yīng)相關(guān)。六個甲基的存在使得*TAC2+·的穩(wěn)定性大幅增加，這是由于六個甲基的排斥使得還原劑無法接近*TAC2+·，因此后者壽命延長，生成電解光氧化還原催化劑。此外，TAC+本身的共軛體系不大且分布較為離散，其可能具備高的HOMO-LUMO能級差，因此采取直接的光激發(fā)機(jī)制并不可行。

Mes-Acr+則具備不同的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。DFT計算表明[44]，Mes-Acr+的均三甲苯基與吖啶基在空間中幾乎處于正交關(guān)系，其HOMO與LUMO分別主要分布于均三甲苯基與吖啶基上(圖14A)。若采取第一種活化機(jī)制，則均三甲苯基將發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，隨后產(chǎn)生兩正電環(huán)正交相連的、高度不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此直接的光致激發(fā)機(jī)制對于Mes-Acr+來說是更為可能的路徑(圖14B)。

圖14 A) 通過DFT理論計算得到的Mes-Acr+的HOMO和LUMO；B) Mes-Acr+的光促催化循環(huán)

綜上，尋找能夠生成電介光氧化還原催化劑的光電催化劑應(yīng)當(dāng)滿足以下幾點要求：1) 具備大的共軛體系使得體系具備“SOMO-HOMO反轉(zhuǎn)”的可能；2) 依據(jù)電位要求對骨架進(jìn)行修飾，使其具備順應(yīng)電位需求的電子密度；3) 通過電化學(xué)方法完成電子轉(zhuǎn)移(electron transfer，ET)過程后在可見光區(qū)有吸收峰；4) 生成的電介光氧化還原催化劑具有一定的穩(wěn)定性，能夠在反應(yīng)體系中存在足夠長的時間以催化反應(yīng)進(jìn)行。相比之下，選擇采取第二種催化機(jī)理的光敏染料的標(biāo)準(zhǔn)并非十分苛刻，只需在光敏染料的基礎(chǔ)上尋找具有合適的氧化還原電位的分子即可。

5 結(jié)語

光和電對化學(xué)反應(yīng)的作用殊途同歸，二者都是利用外界能量來對體系進(jìn)行激發(fā)和活化，使反應(yīng)得以跨越熱力學(xué)或動力學(xué)上的能壘，得以大規(guī)模、高選擇性、高環(huán)境友好性地合成產(chǎn)物。

從當(dāng)今的化學(xué)學(xué)科發(fā)展來看，技術(shù)交叉和融合是整體的大趨勢。吸納和利用不同領(lǐng)域的知識、靈活運用各種方法有助于解決新出現(xiàn)的問題。在過去二三十年里，隨著傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)方法已得到充分發(fā)展，而同時新的需求和挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)，發(fā)展非傳統(tǒng)或非常規(guī)的有機(jī)合成方法已經(jīng)成為未來一段時期內(nèi)的重要發(fā)展方向。

就目前而言，光電化學(xué)的基本優(yōu)勢[40]在于：1) 拓寬了單電子轉(zhuǎn)移(SET)反應(yīng)的電位窗口限制；2) 采用更溫和的反應(yīng)條件，具備更高的官能團(tuán)耐受性與更高的反應(yīng)選擇性；3) 提高了反應(yīng)的能量利用率和原子經(jīng)濟(jì)性。

目前，光電化學(xué)仍有很多局限。它的操作復(fù)雜、裝置稀缺且普適性低，以及具體到某個分子體系時，光電化學(xué)反應(yīng)的位點與作用效果仍難以預(yù)見。正因如此，光電化學(xué)技術(shù)仍有若干重要技術(shù)問題有待解決。不過可以相信，在未來一二十年，光電化學(xué)將迎來一波快速發(fā)展期，并帶給我們更好的方法和對合成更好的理解。