研究背景
芐位氧化反應是有機合成中重要的官能團轉化方法之一,，但傳統(tǒng)的芐位氧化反應通常需要高溫和強氧化劑等嚴苛條件,。
2018年，中科院上海有機所左智偉教授課題組,，利用鈰催化劑CeCl3和醇共催化劑TCE在室溫和400nm LEDs光照下產(chǎn)生了高活性的烷氧自由基,，進而活化烷烴的C-H鍵形成烷基自由基，通過自由基途徑最終實現(xiàn)輕質(zhì)烷烴的高選擇性胺化和烷基化反應,。
【新案例】光促雙重催化環(huán)加成反應
作者設想是否能將這一高效的協(xié)同催化體系應用于烷基芳烴C-H鍵的氧化反應,，從而大幅提高反應效率，縮短反應時間,，在連續(xù)流反應器中的實現(xiàn)更高的產(chǎn)量,。
為驗證這一設想，左智偉教授課題組基于康寧低流量微通道反應器,，構建了一套適用于氣液兩相反應的連續(xù)流動光反應系統(tǒng)（如圖1所示）,。
圖1. 流動光反應器裝置圖
作者選用Ce(NO3)3•6H2O作為鈰源，三氯乙醇2,2,2-Trichloroethanol, TCE）作為HAT催化劑,，乙苯作為模板底物,，氧氣作為氧化劑，利用康寧微通道反應器,，在400 nm LEDs光照下對共催化劑和流動參數(shù)進行了優(yōu)化（實驗結果見table1）,。
表1 . 蒽-鈰協(xié)同催化乙苯芐位氧化反應條件優(yōu)化
對共催化劑的篩選結果表明：僅靠鈰-醇復合物催化反應,，只能以14%的收率和1.3 mmol/h的產(chǎn)量獲得苯乙酮（table1，entry 1）,，這是因為反應催化效率低,，原料轉化不完全造成的。
而當加入蒽類化合物作為共催化劑后,，反應效果都會有不同程度的改善,。其中，9,10-二溴蒽（DBA）具有非常好的促進效果,，能夠將收率提升至92%,，進而將產(chǎn)量提升至8.4 mmol/h（table 1，entry 2～5）,。
氣液兩相的流速不僅決定著乙苯與氧氣的摩爾比,，也會直接影響到反應的停留時間和氣液混合傳質(zhì)效果，是決定反應效果的重要因素,。
實驗結果表明:
在保持液體和氣體的流速比例不變,，將兩相流速同時翻倍，縮短停留時間至1.8 min,，會導致原料轉化不完全,，只能獲得63%的收率；
若將兩相流速同時降低至原來的一半,，延長停留時間至7.2 min,，也會因為過度反應導致收率降低至73%。
此外,，若保持液體流速不變,，僅減半氧氣流速（氧氣與乙苯的摩爾比變小）,，小幅延長停留時間至4.3 min,，則會因為氧氣濃度不足導致反應不完全，使得收率降至42%（table 1,，entry 6-8）,。
另外，對氧氣壓力的考察結果顯示,，在保持停留時間不變的情況下,，降低氧氣壓力至4 bar，會使產(chǎn)率降低至80%,；而提高氧氣壓力至10 bar,，也會導致過度氧化的比例增加。
在獲得最佳反應條件后,，作者還與近期文獻報道的使用廉價金屬活化烷烴C-H鍵的光催化體系進行了比較,。這些光催化體系包括：
Schelter小組使用的鈰催化體系;
Noël小組使用的TBADT催化劑;
段春迎小組使用的鐵催化體系;
以及Rovis等人使用的銅催化劑體系,。
結果表明，在同樣的流動化學條件下,，以上這些光催化體系的催化效率都很有限,，產(chǎn)率和產(chǎn)量比作者發(fā)展的DBA/Ce催化體系顯著下降（table 1，entry 11～15）
在確立了最佳的反應條件后,，作者進一步研究了該協(xié)同催化體系的底物普適性（table 2）,。
表 2 烷基芳烴的底物拓展
研究結果表明：
對乙基苯類底物對位取代基電子效應影響的考察結果表明，無論苯環(huán)上帶有給電子（如甲氧基）還是吸電子取代基（如硼酸酯,、乙?；王セ龋┓磻伎梢皂樌M行，并以優(yōu)異收率獲得苯乙酮類產(chǎn)物,。
該催化氧化體系具有很好的化學選擇性，并沒有觀測到芐位C-C鍵斷裂導致的苯甲酸副產(chǎn)物,。
對于芐位苯基取代的二甲苯和環(huán)狀的芴,，也能在3.6 min的保留時間內(nèi)，分別獲得79%和85%的收率,，以及4.2 mmol/h和3.8 mmol/h的產(chǎn)量,。
對于更加活潑的苯酞，反應則更加迅速,，在更高的0.1 M濃度下實現(xiàn)85%的收率,，取得7.7 mmol/h的高產(chǎn)量。
最后,，對于烷基側鏈遠端取代的（如OTBS,、Cl或CN等取代基）底物，反應同樣可以順利進行,，以58%～84%的收率和1.9 mmol/h～5.2 mmol/h的產(chǎn)量選擇性地獲得芐位氧化的產(chǎn)物,。
為了探究這種協(xié)同催化體系可能的機理，作者首先測定了DBA的UV-Vis吸收光譜和熒光發(fā)射光譜,，結果顯示DBA可以吸收300～420 nm波長范圍內(nèi)的光子,，從而躍遷至激發(fā)態(tài)（[DBA]*）并發(fā)射出400 nm～550 nm的熒光（圖2A）。因此,，400 nm LEDs光源可以激發(fā)DBA躍遷至激發(fā)態(tài),。
有研究表明，在有氧條件下氧氣能夠有效地淬滅DBA的熒光,，產(chǎn)生DBA的自由基正離子（[DBA]•+）,。而DBA的自由基正離子又有足夠的氧化性（E1/2= 1.45 V 相對于乙腈中的SCE[27]，圖2B）將Ce(III)再生為Ce(IV)（E1/2= 0.40 V相對于乙腈中的SCE）,，從而促進鈰的催化循環(huán),，顯著提高催化效率,。
圖 2 (A)DBA 的 UV-Vis 吸收和熒光發(fā)射光譜,(B)的循環(huán)伏安圖,(C)可能的協(xié)同催化機理
根據(jù)以上的機理實驗和課題組之前對蒽-鈰協(xié)同催化和鈰-醇復合物LMCT-HAT催化機制的深入研究，作者提出了以下可能的催化循環(huán)：
首先,，四價的鈰-醇在400 nm LEDs光照下發(fā)生光促的LMCT均裂過程,，產(chǎn)生三氯乙氧自由基和三價鈰復合物。
隨后,，三氯乙氧自由基在室溫下通過HAT過程活化乙苯芐位的C-H鍵,，產(chǎn)生芐基自由基。芐基自由基再被氧氣捕獲形成芐基過氧自由基,，進一步被體系中的還原性物種還原,，最終形成氧化產(chǎn)物苯乙酮。
基態(tài)DBA吸收400 nm LEDs發(fā)出的光子躍遷至激發(fā)態(tài),，隨后被氧氣或體系中產(chǎn)生的過氧物種氧化,，產(chǎn)生DBA自由基正離子。
DBA自由基正離子進一步與體系中的三價鈰復合物發(fā)生SET過程,，從而將Ce(III)氧化再生Ce(IV),，自身得到一個電子回到基態(tài)，從而同時閉合有機光催化劑循環(huán)進和鈰催化循環(huán),。
本研究將康寧微通道反應器作為基礎,，搭建了流動光化學反應器裝置，使得實驗效率變得高效,。
采用蒽-鈰協(xié)同催化和LMCT-HAT催化策略,，使用DBA和鈰-醇配合物作為光催化劑，在連續(xù)流反應條件下,，以很高的效率實現(xiàn)了各種烷基芳烴的芐位C-H鍵的高選擇性氧化反應,。
該催化體系使用廉價易得、環(huán)境友好的鈰醇催化劑和有機光催化劑,，條件溫和,，具有良好的官能團兼容性和廣泛的底物普適性。為發(fā)展關鍵藥物中間體的綠色合成提供新途徑,。
參考文獻：
Acta Chim. Sinica 2023, 81
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