光催化磷酸介导的水激活以自由基氢化

　　可以通过串行化学过程将水转化为有价值的氢气（H2） ，这使其可以作为潜在的转移氢化试剂的使用
，以减少不饱和化合物1,2。但是，水活化的主要挑战源自两个特征（图1A） 。（1）虽然水的去质子化（PKA = 15.74）可以很容易地通过适当的碱基实现 ，但由于高键解离能的高热力学稳定性（BDE = 118 kcal mol -1）
，O -H键的高键解离能的较高热力学稳定性是有挑战性的
。（2）此外，如果产生的OH自由基（羟基自由基）无法提供第二个氢原子 ，因为这将导致高能氧原子5。结果
，需要催化剂或介体，并且当前的水活化方法遵循三种不同的策略：氧化添加激活6,7,8 ，金属 - 配体合作激活9和协调诱导的键弱弱化10,11,12（图1B） 。前两种方法主要集中在使用D块过渡金属上，与主要组元素有关的转换仍然非常罕见
。通过使用过渡金属复合物或具有空D或P轨道的主要组元素
，已经披露了通过生成相应的H2O加合物来削弱协调诱导键削弱键的概念的几个示例。但是，随着H2O加合物的形成也会增加酸度 ，大多数此类H2O型复合物作为质子供体反应 。考虑到均利性O – H键裂解
，已知一些例子，撒玛利亚（II）13,14,15,16,17,18 ，钛（III）19,20,21
，Borane22,23,24和Bismuth（ii）25 Compounds（II）25种化合物，以及其他化合物 ，等等
，启用了同样的O -H型closees closees
。这些活化的水复合物已显示可减少反应性自由基，从而导致封闭壳产物 ，其中氢原子转移（HAT）受到热力学偏爱（图1C）10,19,20,21,21,22,22,23,24,25,26。相比之下 从H2O中间体到封闭壳π系统的分子间帽子的示例
，导致反应性H加合C根部，尤其是考虑到无金属H2O加合物中间体 ，仍然是理想的 。值得注意的是，已对原位生成的Fe
，MN和CO Hydride配合物进行了深入研究，作为与烷烃反应的HAT试剂 ，在所谓的Metal Hydride Hydride Hydride氢原子转移（MHAT）中给出了相应的H加合物C自由基（MHAT）27,28,29。在这些MHAT过程中
，要传递的H原子通常来自氢化物源，例如硅烷
。激活水中的分子间帽子对π系统以SMX2 – H2O加合物而闻名 ，尽管范围有限
，并且无金属变体需要被发现30,31,32,33。 　　考虑到过渡金属的变体，要克服几个挑战 。当前能够充当HAT试剂的当前已知的水中加合物相对稳定 ，因此导致反应性C激素的氢转移到π系统中是终结的
。结果
，除了SM（II）30,31,32,33,34,35,36的示例外，使用这种物种仅建立了反应性自由基的帽子。此外 ，应该很容易生成基于H2O的H供体
，足以使人反应能够使用热力学偏爱π系统，但同时必须具有足够的寿命 ，这使试剂设计变得极具挑战性 。值得注意的是，已经报道了一些无金属自由基H原子转移的例子
，以实现封闭壳π系统的氢化
。因此，RüChardt和同事表明了9,10-二氢苯乙烯 ，黄烷或四链素
，以将H原子转移到封闭壳π系统37,38,39。但是，由于这些H供体本身是稳定的封闭壳化合物 ，因此反复形式反应中的分子间帽子是强烈吸热的
，并且在动力学上不受青睐 。因此，这些过程的范围非常狭窄 ，仅在300°C以上的温度下发生
。 　　考虑到磷酸自由基阳离子可以在光毒素催化中充当可调节介质
，用于通过脱氧而产生碳和杂原子中心的自由基（图1D）40,41，我们通过使用其单独占领的分子孔的水 ，通过磷酸阳离子的相互作用来设计一种相关的水激活方法。PR3 – H2O自由基阳离子可以去质子化
，如Pandey和同事42所建议的那样，在杂液O – H键裂解中产生PR3-OH自由基中间体 。磷酸氧化物中P = O键的强BDE确保了第二个O – H Bond43的均质裂解的高热力学驱动力 ，使PR3 – OH中间体能够像“自由” H原子一样行为，从而提供了探索H AtoM自由基化学的机会
。 　　为了实验验证拟议的PR3 – OH中间体的反应设计和H原子反应性
，首先研究了Triphenyl膦（PPH3）介导的氢进化。令人愉快的是，使用[ir（df（cf3）ppy）2（dtbbpy）]]（df（pf6）]（df（cf3）ppy ，2-（2,4-二氟苯基）-5-三氟甲基吡啶；乙腈中的氢源在辐照下用5 W蓝色发光二极管（LED）
，H2的产生在溶液和气相中均经过实验验证，并以副产物形成三苯基磷酸氧化物（图2A） 。这项重要的实验表明 ，可以生成所提出的自由基PPH3 – OH中间体
，进一步具有足够的寿命，因此具有这样的H供体的分子间反应变得可行 ，如成功生成H2所示。在这一发现的鼓励下
，试图将未激活的烷烃与水供水转移氢（图2B）
。根据该提案，活化H2O的第一个H原子以质子的形式释放（图1D） ，因此我们决定使用能够通过硫醇质质子化将质子供体（PPH3-OH2+）转化为自由基H供体的硫醇共催化剂。硫醇反过来能够有效地减少烷基自由基 。设计过程的关键物种是建议的PR3 – OH中间体
，应显示足够的反应性，以将其H原子全分子转移到未激活的烯烃中
。 　　选择4-甲硅烷（1A）作为模型底物 ，以评估靶向自由基烯烃转移氢化的可行性。令人愉悦的是，使用Tris（4-甲氧基苯基）磷素P1作为介体
，PC1作为光催化剂，2,4,6-三异丙基苯二醇（HAT1）作为HAT催化剂和H2O作为乙腈中的乙二基因源型乙二醇源 ，在蓝色LED辐照下
，氢辐射，氢化产品2A可在86％的二下（2 c cy） 。其他三轮磷P2 – P6提供了较差的结果（图2C ，条目2-6）
，硫醇共催化剂HAT2失败了（图2C，条目7）
。其他经常使用的基于IR的光催化剂（PC2 ，PC3）提供了较低的产率（图2C
，条目8和9），所有试剂成功地成功地氢化了1A（补充信息）。 　　为了了解H供体的结构和H原子亲和力 ，进行了密度功能理论（DFT）计算（图2C和补充信息） 。首先
，对所有考虑的化合物的O – H键解离能的计算非常低，范围为5.0至13.4 kcal mol -1
。我们注意到 ，用P1和P4形成的H原子供体获得了最低的键能，在1a的氢化中显示出最高的产率。有趣的是
，我们发现将H原子转移至芳基取代基的正姿势会导致更稳定的结构（用于P3） 。但是，由于分子内HAT的非线性性 ，我们没有发现这种过程的任何过渡态
，因此，在这些反应中 ，这种环己二烯基自由基在这些反应中没有进一步视为H原子供体
。计算苯乙烯和丙烯作为H原子受体的P3衍生的Paryl3-OH自由基中间体的分子间帽子。与实验结果一致
，在室温下，丙烯的HAT是可行的 ，自由能屏障为19.3 kcal mol -1 。如预期的那样
，由于苯乙烯自由基的自由基稳定，发现了hat hat to Styrene的较低屏障（10.6 kcal mol -1）。 　　在手头优化的条件下 ，可以有效地氢化具有不同功能的各种未活化的烷烃
。在Arene部分携带含电子或含电子取代基的烯丙基烯丙基提供了相应的丙烯烯丙烯烯型2A -2F的产量高（图3A）。The radical hydrogenation was compatible with commonly used functional groups, including boronic acid pinacol ester (2g), pyridine (2h), ether (2i), triphenylsilyl (2j), oxazolidinone (2k), amide (2l and 2m), sulfonamide (2n), free alcohols (2o and 2r), aldehyde (2p) and thiophene（2Q）部分 。尽管产量中等（2s和2t）
，但也可以减少卵巢烷烃
。我们的温和方案还允许伴有末端未激活双键的更复杂化合物的后期氢化，如Sclareol（2U） ，烯醇酚（2V），β-雌二醇（2W）和雌酮衍生物（2X）和雌酮（2X）的记录所记录。值得注意的是
，烯醇醇1V的还原为2V提供了完全的化学选择性，环中的三取代的烯烃部分仍未反应 。由于H原子介质和反应时间可以缩短（48 h） ，因此可以使用PPH3（P3）容易氢化反应性苯乙烯衍生物（48小时）
。各种苯乙烯衍生物
，包括α-和β取代的同源物以及三碱成立的系统，可以以中等至优异的产率降低（图3B ，4A-4L）。用完全化学和非对映选择性氢化了类固醇化合物3M 。 　　竞技场的氢化为通过易于访问的平面芳族化合物构建三维结构提供了原子经济
，直接，有效的途径
。但是 ，由于初始帽子导致去芳香化
，因此通过H原子转移的芳烃还比烯烃氢化更加困难。众所周知，MN/CO/FE Hydrides到Araes的自由基MHAT非常具有挑战性44,45 。由我们的计算激励 ，这表明分子内H转移到paryl3 -OH自由基中间体中的Arenene部分是可行的（图2C）
，我们接下来尝试了竞技场的挑战性氢化（图4）
。我们很高兴发现萘（5A）及其具有酯（5b），氰基（5C）和羟基（5D）组的衍生物可以被氢化 ，以提供相应的四氢戊二乙烯，其产量很高。在这些情况下
，未观察到第二芳烃部分的氢化，与萘相比 ，四氢萘二苯甲烯中芳烃部分的较大共振能可以理解 。用吸电子取代基在取代的Arene环上除芳香芳烃。萘衍生物带有含电子甲基或甲氧基（见化合物5F和5G）的萘衍生物提供了两种可能的四氢戊二乙烯的混合物
。通过DFT计算进一步研究了区域选择性问题（补充信息）。对于1-甲基萘（5F）
，计算了从P1-OH自由基到2-，3- ，4-
，4-，5- ，6-
，7和8位的激活屏障 。所有帽子均为放热（-17.9至-23.5 kcal mol -1），并以低屏障（6.3至9.7 kcal mol -1）发生
。计算了针对C4位置的帽子（6.3 kcal mol-1）的最低屏障 ，但H向C8和C5转移到C8和C5
，导致其他区域异构体显示出相似的屏障（分别为6.5和6.9 kcal mol-1）。这解释了为什么没有获得5F氢化的选择性 。帽子的屏障与H加合物的热力学稳定性很好（放热性，C4位置：-23.5 kcal mol-1 ，C8位置：-23.5 kcal mol-1，C5位置：-23.0 kcal mol-1）
。有了这些知识
，我们还计算了帽子的放热至1-（甲氧基碳苯甲）萘（5b）（5b）和2-Cyanonaphalene（5C），为此 ，在氢中实现了完美的重新控制。同样
，两种情况都考虑了七个区域异构H加合物 。对于酯5b，对C4位置的HAT在热力学上是最有利的（-26.2 kcal mol-1） ，导致实验观察到的区域异构体6B
。在反应中
，热力学上最稳定的H加合物与5C产生的是C1添加（-27.0 kcal mol-1），最终导致观察到的异构体6c ，揭示了这些氢化中的区域选择性主要由De-Aromatized H加入自由基的稳定性控制。 　　Naptthols值得特别注意：1-萘醇将苯酚6d作为单个还原产物
，具有完全的降级对照，而2-萘酚提供了三种不同的产物6e ，6e'和6e'' 。酮6e''的形成表明
，通过1,4还原萘核形成的烯醇可能是5E氢化中的中间体
。更复杂的萘5H被区域选择性地氢化，使6H作为对映异构体的1：1混合物。氢化也适用于多取代的萘​​（5i -5k） 。区域选择性氢化发生在较不良的芳香族部分（6J和6K）处。在同一环处取代萘 ，萘萘甲苯乙烯为靶向四氢甲乙烯甲烯烃作为对映异构体混合物（6L – 6N）提供
。正如预期的1,3-二甲基萘的一样，6L与6L'一起形成为主要的区域异构体
，该区域异构体被分离为2：1（CIS：Trans）对映异构体的混合物。注意到完整的重新控制是指萘5m和5n的氢化 。实现了6M的非常好的1,2-STERECORTOL（CIS：TRANS = 10：1），而1,4-Stereo诱导是中等的（6n ，2：1）
。蒽5O及其氰化的衍生物5p在最激活的中央环处完全降低。对于2B
，4D和6C的革兰氏尺度制备，获得了可比的收率 ，以记录了这种氢化过程的实用性 。生成的磷酸氧化物几乎可以被定量回收（补充信息）
，并易于减少以使相应的起始磷酸盐46
。 　　通过实现奎诺林的直接骨骼编辑，进一步验证了这种光催化磷酸介导的水活化系统的独特H原子的降低能力 ，其中氢化通过自由基中间体进行了进一步验证（图5A）47。对于任何其他自由基还原系统
，这种氢化重排尚不清楚，并且无法通过过渡金属介导的氢化过程实现 。几种吲哚衍生物可以通过相应的喹啉衍生物的还原环收缩直接构建
。2个取代的奎诺琳（5q – s和5U）的重排提供了相应的2,3-二取代的吲哚6q – s和6u的收益率。一个2,4二取代的喹啉（5t）也从事这种转换以得到吲哚6T ，并在图5a中显示了一种可能的机制 。中间INT1是通过将P1 – OH中间体转移到喹啉C（4）位置的初始H原子转移而产生的
。随后通过INT2进行的Neophyl型重排导致INT3
，最终由硫醇共催化剂降低以提供产物吲哚。建议的机制得到了一个剥离实验的支持：如果BIS置化的吲哚6U-D2，用D2O代替H2O ，表明P1-OH中间体的初始HAT以及Thiol CoCatalyst的最终帽子出现在同一碳原子上 。 　　接下来，我们通过将两个不同的π系统安装到相同的基板上
，或通过低转化率下的两个π系统的竞争实验（补充信息）来探讨它们的相对反应性。2-乙烯基萘（3n）中的烯基部分比萘核更具反应性，并使用PPH3（P3）获得了完全化学选择性的2-乙基苯二酚
。对于更具反应性的磷酸P1（补充信息） ，也发现了相同的结果。将活化的烯烃与未激活的末端烯烃中的4-甲氧基苯乙烯中进行了比较
，我们发现以82％的收益率获得了与温和的P3一起氢化型与温和的P3的氢化化学选择性 。然而，使用更具反应性的磷酸P1 ，在4-甲氧基苯乙烯中的两个双键均降低
。因此
，可以通过通过paryl3成分的变化来调整H原子反应性来控制4-甲氧基苯乙烯的氢化的化学选择性。这让人联想到通过配体变异的有机金属氢化物中的反应性调整 。考虑到苯乙烯对通过其para-叠生的变化在电子结构上略有不同的苯乙烯对，使用较轻的pph3衍生的H供体（ME v cn = 1：1.4; me vers meo versus versus versus = 1：2）注意到了低选择性
。空间效应起着β-甲基（反式）的作用 ，并且α-甲基取代的Styerenes的反应性不如其相应的未取代的Styerenes（大约2：1）。 　　作为自由基氢化的另一个优势
，比公认的PD/RH/IR催化过程（通常用H2 GAS 48,49,50运行），研究了与伴随环化或环开放的氢化 。同时 ，这些研究为这些转化的根本性提供了进一步的实验支持（图5B）
。对四个不同的二烯7 、9
、11和13进行了标准条件
，并获得了靶向还原的环化产物8、10 、12和14。在所有情况下，均未观察到氢化的非周期性衍生物 ，表明在应用条件下的环化速度比直接减少更快 。对于Si化合物7，仅发生6个端Trig环化
，而其他三个通过5-EXO模式循环的系统则形成了五元的环，并以极好的非映射率形成
。乙烯基环丙烷15反应产生减少的环的产物16。作为侧产物 ，烷烃17被分离
，可能是由于16的双键异构化而导致的 。对照实验表明，H2O是氢化中的独家氢源 ，并且使用溶液（乙二醇）的溶液组合（图5c）
，这是溶液的含量（图5c），而（图5C）的构成（图5c）的效果（图5c）的构成了。便宜的D2O ，正如准备2D-D2和6J-D4的准备一样
。 　　动力学实验是从H2O中的3A反应或低转化率下的D2O中的反应
，表明PR3 – OH中间体和烯烃之间的HAT过程是速率确定的步骤，具有动力学同位素效应（KIE）值为3.2（图5C）。另外一个实验进一步支持了这一点 ，在该实验中
，使用H2O：D2O的1：1混合物与观察到β-位置的较低氘掺入的1：1混合物（用3C进行） 。此外，我们发现了相对于烯烃的一阶动力学 ，以及相对于硫醇共催化剂的零阶动力学，进一步支持烯烃的初始帽子是速率确定的步骤（使用1A和1J进行了速率；补充信息；补充信息）
。斯特恩 - 沃尔默淬火研究证实了激发的红外光催化剂对磷酸的初始氧化
，量子产率测量表明，自由基链反应不在运行中。总体而言 ，所有这些实验和计算都支持图2B中所示的建议机制 。 　　总而言之
，现场生成的PR3 – OH自由基已被证明是作为带有各种烷烃和萘的HAT试剂的反应，从而在室温下给出了相应的H原子加合力自由基
。可以被视为形式的“游离 ”原子的关键PR3 – OH自由基通过光催化磷酸介导的水激活很容易产生。硫醇被用作π系统自由基氢化的催化共还原剂 ，从而将最初产生的PR3 – OH2自由基阳离子中间体（是一个有效的质子供体）转化为自由基氢原子供体 。这种共同分析方法可确保在还原π系统中
，两个水原子都可以用作H原子供体
。考虑到烷烃的氢化，引入的无金属PR3 – OH中间体与已建立的过渡金属系统具有可比的反应性 ，该系统参与MHAT反应。分子内或分子间氢原子转移到反应性碳或杂原子中
，以杂种为中心的自由基是对自由基易位的现代合成中非常有用的工具 。但是，封闭系统的帽子并没有得到很好的发展 ，我们相信这里提出的策略将打开未开发的“ H Atom激进化学
”
。