刘天飞课题组JACS：新反应机制——可见光照射下通过自旋禁阻激发产生二氟卡宾
2024-11-15
二氟卡宾是一种具有亲电特性的重要反应中间体，是制备含二氟亚甲基的氟化有机化合物的最常用中间体之一，在医药、农化以及材料化学等领域应用广泛。由于二氟卡宾的高反应性，必须在特定条件下由二氟卡宾前体生成。目前多种二氟卡宾前体已经被成功开发，主要包括以下两大类：第一类前体具有不对称的X-CF2-Y结构，由亲电的X取代基和亲核的Y取代基组成，必须通过与引发剂、添加剂和催化剂的作用生成二氟卡宾中间体，反应一般需要在加热或者光照条件下才能进行；第二类前体是具有对称的E-CF2-E结构的室温下为气态的小分子，包括CF2Br2和CF2N2，需要通过还原剂、电催化或者紫外激光通过自旋允许激发机制生成二氟卡宾中间体。
传统二氟卡宾前体通常需要引发剂、添加剂和催化剂，或需要相对强烈的反应条件来生成二氟卡宾。最近，针对这样的问题，物质绿色创造与制造海河实验室科研骨干、南开大学刘天飞课题组与中科院上海有机所沈其龙课题组、北京师范大学崔刚龙课题组合作，在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）以《Difluorocarbene Generation via a Spin-Forbidden Excitation under Visible Light Irradiation》为题发表了最新的研究全文。物质绿色创造与制造海河实验室为论文通讯单位之一。
该研究全文报道了一种结构新颖的具有对称E-CF2-E骨架的固态二氟卡宾前体——二氟卡宾双硫叶立德试剂，该试剂可以在没有引发剂、添加剂和催化剂存在的条件下，在可见光照射下发生自旋禁止激发产生二氟卡宾中间体的全新反应机制。团队报道的二氟卡宾双硫叶立德试剂为苍白色固体，溶液在可见光区域几乎没有光谱吸收，可以在450 nm蓝光照射下经历自旋禁阻激发生成二氟卡宾。所生成的二氟卡宾中间体可以对苯乙烯衍生物实现二氟环丙烷化反应，可以对苯酚的O-H键和苯硫酚的S-H键实现二氟卡宾的插入反应。这种二氟卡宾双硫叶立德试剂为合成含有二氟亚甲基的有机化合物提供了一种不需要引发剂、添加剂和催化剂的全新合成方法。
团队通过光谱学研究、反应动力学研究和计算化学研究，对该二氟卡宾双硫叶立德试剂在450 nm蓝光照射下发生自旋禁阻激发生成二氟卡宾这一新反应机制进行了系统的实验与理论研究。团队根据产物与副产物的结构鉴定、试剂的紫外-可见光谱、荧光光谱和浓度相关荧光动力学的实验证据，以及对该试剂自旋-轨道耦合常数的理论分析，确定了自旋禁阻激发光化学过程的发生。团队随后进一步精巧地设计了一系列更细致的机理研究实验，包括对该试剂自由基捕捉反应的时间分辨EPR光谱动力学研究、副产物苯硫基丙二甲酸二甲酯自由基二聚体的结构分离、苯硫酚底物的副产物鉴定等，结合BDE键能参数判定，确定了二氟卡宾双硫叶立德试剂在禁阻激发后发生两根S-C键的均裂过程中释放二氟卡宾中间体。团队通过变温同位素标记置扰实验确定了副产物苯硫基丙二甲酸二甲酯自由基二聚体的生成过程可以经过溶剂笼内重组和溶剂笼外碰撞的可能途径；进一步通过DFT计算对实验观测所推断出的反应机制和实验动力学证据提供了在热力学和理论上的更进一步认识与解释，揭示了该二氟卡宾双硫叶立德试剂在禁阻激发后经历溶剂笼内重组发生两根S-C键的均裂过程，既可以非协同的异步发生，又可以协同的异步发生，还可以经历笼外碰撞的交换过程发生，上述过程都是二氟卡宾双硫叶立德试剂在自旋禁阻激发发生后在反应热力学和反应动力学上可行的平行途径。本研究所揭示的在可见光照射下通过自旋禁阻激发产生二氟卡宾的全新反应机制，将有助于未来依赖于自旋禁阻激发反应机制的更多新试剂的研发。
图2. （A）二氟卡宾双硫叶立德试剂在蓝光下释放二氟卡宾的产物结构确定;（B）二氟卡宾双硫叶立德试剂的紫外可见光谱和450 nm光激发的荧光激发光谱;（C）二氟卡宾双硫叶立德试剂在450 nm光激发下的浓度相关荧光动力学轨迹;（D）二氟卡宾双硫叶立德试剂在蓝光下发生自由基捕获反应;（E）自由基捕获反应的的时间分辨EPR波谱;（F）自由基捕获反应的的时间分辨EPR光谱动力学轨迹。
图4. （A）二氟卡宾双硫叶立德试剂在可见蓝光照射下发生禁阻激发生成二氟卡宾的反应坐标图（Path B和Path D）；（B）二氟卡宾双硫叶立德试剂在可见蓝光照射下发生禁阻后通过溶剂笼内途径Path B生成二氟卡宾的More O'Ferrall-Jencks图和二维能量图。非协同异步过程为蓝色路线，协同异步过程为红色虚线路线。
本论文的第一作者为南开大学博士研究生刘闪和北京师范大学博士研究生潘广宁，第一通讯单位为南开大学。本研究得到了国家自然科学基金委员会、中央高校基本科研业务费专项资金、国家重点研发计划和中国科学院战略性先导科技专项的经费资助。本研究得到了南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室、物质绿色创造与制造海河实验室、中国科学院上海有机化学研究所先进氟氮材料重点实验室和北京师范大学化学学院理论及计算光化学教育部重点实验室的大力支持。
原文信息：
Shan Liu§, Guang-Ning Pan§, Yijing Ling, Feng Gao, Yin Yang, Ganglong Cui*, Qilong Shen*, Tianfei Liu*, Difluorocarbene Generation via a Spin-Forbidden Excitation under Visible Light Irradiation, J. Am. Chem. Soc. 2024, ASAP.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c10939
传统二氟卡宾前体通常需要引发剂、添加剂和催化剂，或需要相对强烈的反应条件来生成二氟卡宾。最近，针对这样的问题，物质绿色创造与制造海河实验室科研骨干、南开大学刘天飞课题组与中科院上海有机所沈其龙课题组、北京师范大学崔刚龙课题组合作，在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）以《Difluorocarbene Generation via a Spin-Forbidden Excitation under Visible Light Irradiation》为题发表了最新的研究全文。物质绿色创造与制造海河实验室为论文通讯单位之一。
该研究全文报道了一种结构新颖的具有对称E-CF2-E骨架的固态二氟卡宾前体——二氟卡宾双硫叶立德试剂，该试剂可以在没有引发剂、添加剂和催化剂存在的条件下，在可见光照射下发生自旋禁止激发产生二氟卡宾中间体的全新反应机制。团队报道的二氟卡宾双硫叶立德试剂为苍白色固体，溶液在可见光区域几乎没有光谱吸收，可以在450 nm蓝光照射下经历自旋禁阻激发生成二氟卡宾。所生成的二氟卡宾中间体可以对苯乙烯衍生物实现二氟环丙烷化反应，可以对苯酚的O-H键和苯硫酚的S-H键实现二氟卡宾的插入反应。这种二氟卡宾双硫叶立德试剂为合成含有二氟亚甲基的有机化合物提供了一种不需要引发剂、添加剂和催化剂的全新合成方法。
图1. 本工作开发的具有对称性结构的新型固态二氟卡宾前体的结构和通过自旋禁阻激发释放二氟卡宾的新机制。
团队通过光谱学研究、反应动力学研究和计算化学研究，对该二氟卡宾双硫叶立德试剂在450 nm蓝光照射下发生自旋禁阻激发生成二氟卡宾这一新反应机制进行了系统的实验与理论研究。团队根据产物与副产物的结构鉴定、试剂的紫外-可见光谱、荧光光谱和浓度相关荧光动力学的实验证据，以及对该试剂自旋-轨道耦合常数的理论分析，确定了自旋禁阻激发光化学过程的发生。团队随后进一步精巧地设计了一系列更细致的机理研究实验，包括对该试剂自由基捕捉反应的时间分辨EPR光谱动力学研究、副产物苯硫基丙二甲酸二甲酯自由基二聚体的结构分离、苯硫酚底物的副产物鉴定等，结合BDE键能参数判定，确定了二氟卡宾双硫叶立德试剂在禁阻激发后发生两根S-C键的均裂过程中释放二氟卡宾中间体。团队通过变温同位素标记置扰实验确定了副产物苯硫基丙二甲酸二甲酯自由基二聚体的生成过程可以经过溶剂笼内重组和溶剂笼外碰撞的可能途径；进一步通过DFT计算对实验观测所推断出的反应机制和实验动力学证据提供了在热力学和理论上的更进一步认识与解释，揭示了该二氟卡宾双硫叶立德试剂在禁阻激发后经历溶剂笼内重组发生两根S-C键的均裂过程，既可以非协同的异步发生，又可以协同的异步发生，还可以经历笼外碰撞的交换过程发生，上述过程都是二氟卡宾双硫叶立德试剂在自旋禁阻激发发生后在反应热力学和反应动力学上可行的平行途径。本研究所揭示的在可见光照射下通过自旋禁阻激发产生二氟卡宾的全新反应机制，将有助于未来依赖于自旋禁阻激发反应机制的更多新试剂的研发。
图3. 物质绿色创造与制造海河实验室、南开大学团队正在进行时间分辨EPR波谱的反应动力学测试。（从右往左，刘闪、刘天飞、杨茵）
本论文的第一作者为南开大学博士研究生刘闪和北京师范大学博士研究生潘广宁，第一通讯单位为南开大学。本研究得到了国家自然科学基金委员会、中央高校基本科研业务费专项资金、国家重点研发计划和中国科学院战略性先导科技专项的经费资助。本研究得到了南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室、物质绿色创造与制造海河实验室、中国科学院上海有机化学研究所先进氟氮材料重点实验室和北京师范大学化学学院理论及计算光化学教育部重点实验室的大力支持。
原文信息：
Shan Liu§, Guang-Ning Pan§, Yijing Ling, Feng Gao, Yin Yang, Ganglong Cui*, Qilong Shen*, Tianfei Liu*, Difluorocarbene Generation via a Spin-Forbidden Excitation under Visible Light Irradiation, J. Am. Chem. Soc. 2024, ASAP.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c10939
