Nature：化学键断裂的新方式- 大数跨境

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2024-10-19

导读：德国雷根斯堡大学的Julia Rehbein、Patrick Nuernberger和Alexander Breder等研究者报道了对称同极性σ键通过受激双线态-双线态电子转移（SDET）过程进行的净

副标题：对称同极性σ键的单分子净异裂

根据价键理论，若σ 键组成相同（即对称 σ 键），则 σ 键从基态（S₀）或最低激发态（S₁、T₁）通过单个基本步骤的裂分在本质上来说不能视为异裂（图1a）。在有机分子中，易受单分子异裂影响的 σ 键通常由碳结合的杂原子（即异核 σ 键）组成，这是因为杂原子相对于碳原子的电负性存在明显差异，并且在某种程度上表现出沿碳-元素轴的大偶极矩（即异极性σ键）。迄今为止，关于单步热和光化学异裂的实验研究仅集中于异极性σ键，而对称和同极性σ键（即具有相似电负性和相等逸度的键成分）的类似反应则几乎没有研究。如图1c所示，如果利用两个单独的激发来实现键活化，那么对称σ键可能会偏离其仅经历单步均裂的趋势（图1b），而是参与两步异裂途径。具体而言：第一个激发（如：热激发）会导致预期的均裂并提供一个自由基对（例如：两个双峰），随后在适当波长下对其中一个初始自由基进行光激发（第二次激发）将导致受激双线态-双线态电子转移（stimulated doublet–doublet electron transfer，SDET），从而实现净σ键异裂（图1c、1d）。从机理上讲，这种裂解可以看作是一种两性裂解反应，因为其通过具有均裂和异裂元素的序列形成了具有相反电荷且结构相同的离子对，而且这种情况下电子转移的方向由异极性自由基对的性质决定（即从电正性自由基到电负性自由基的单向电子转移）。

近日，德国雷根斯堡大学的Julia Rehbein、Patrick Nuernberger和Alexander Breder等研究者报道了对称同极性σ键通过受激双线态-双线态电子转移（SDET）过程进行的净异裂反应。以Se-Se和C-Se σ键为例，对称和同极性键先进行热均裂，然后进行光化学SDET，最终实现净异裂。此外，作者不仅确定了相关的自由基中间体并破译了其在光驱动下相互转化为高反应性离子对的过程，还为在非亲电碳中心设计前所未有的S_N1反应奠定了坚实的基础。相关成果发表在Nature 上。

图1. 研究背景及本文工作概述。图片来源：Nature

首先，作者选择有机二硒作为底物对所提出的SDET诱导对称σ键两性分解的可行性进行了研究。基于先前的研究，作者探索了溶剂效应对中性Se自由基的作用，具体而言：将二苯基二硒醚（1a）和二苄基二硒醚（1b）的等摩尔溶液分别置于HFIP和异丙醇（19℃，0.5 M）中于黑暗下进行搅拌并利用¹H NMR光谱监测Se-Se σ键交换程度（图2a），结果显示反应3 h后每种溶剂中都形成了相应的交换产物1c且交换百分比为78%-91%，同时还检测到占消耗起始材料2%-9%的苄基苯基硒烷和二苄基硒烷。需要指出的是，当σ键交换反应在CDCl₃中于黑暗下仅进行15 min时也观察到类似的结果（85% Se-Se交换），这说明热力学Se-Se σ键均裂在质子和/或酸性溶剂（pK_a，CHCl₃=13.6）中是可行的。正如预期所示，向反应中加入自由基清除剂（如：TEMPO或加尔万氧基自由基）会显著降低Se-Se交换程度（分别为54%和58%）。其次，为了测试同极性C-Se σ键是否在热条件下发生均裂，作者将1-氘代环己-2-烯-1-基(苯基)硒烷（2a-1d）置于异丙醇或HFIP（0.5 M）中在黑暗下进行搅拌（图2b），结果显示在异丙醇中反应3 h未观察到C-Se杂化，而且向其中加入三氟乙酸（TFA，0.5 equiv）也不会改变这一结果，这说明Brønsted酸催化的C-Se异裂解在测试条件下不起决定性作用。值得注意的是，在没有酸性添加剂的情况下于HFIP中进行C-Se杂化会导致10%的σ键交换，若向其中加入0.5 equiv TFA会导致96%的σ键交换，而在TEMPO存在下交换率降低至78%，并且通过电喷雾电离高分辨率质谱检测到TEMPO/环己-2-烯-1-基重组加合物的形成，这与交换反应的自由基性质相一致，进而有力地支持了氟醇溶剂对硒自由基中间体稳定作用的假设。另外，DFT计算显示HFIP确实比异丙醇更有效地稳定PhSe•和环己烯基自由基，并且作者将HFIP的良性影响主要解释为动力学溶剂效应。

图2. Se-Se和C-Se σ键交换实验。图片来源：Nature

进一步研究表明PhSe•（λ_max=490 nm）即使在>500 nm也能吸收，这远比二硒烷1a、由SDET产生的硒中心离子和环己烯基自由基5a•的吸收要高（图3a）。为此，作者对PhSe•的激发态及其相关的失活途径进行了计算以确定光化学活性态，结果显示用~500 nm波长照射时主要填充具有πp激发特性的D₃态。尽管D₂态也具有πp激发特性，但具有较大的电荷转移贡献，这与其低消光系数相一致。与D₃和D₂态相反，D₁态表现出n_Sep电荷转移特性，进而导致自旋密度局域化在Se原子的p轨道上，该轨道与苯环的相邻π体系正交。鉴于D₂和D₁态之间的激发能量差异很大（2.09 vs 0.43 eV），作者评估了它们的失活途径，结果表明至少一部分激发态PhSe•自由基可以anti-Kasha的方式直接从D₂态发生反应。另外，作者通过计算得出从5a•到PhSe•电子转移的吉布斯自由能（ΔG_ET）为9.7 kcal mol⁻¹（即0.42 eV）；而在500 nm照射后相应的SDET（ΔG_SDET）则变成放热，即从D₁态放热-3.8 kcal mol⁻¹，从D₂态放热-41.3 kcal mol⁻¹（图3b），这些结果说明当烯丙基硒烷（如：2a）在SDET条件下暴露于亲核试剂时，主要参与非典型S_N1反应。其次，为了获得SDET诱导1a Se-Se σ键裂解的直接光谱证据以及所产生的PhSe⁺/PhSe⁻离子对能否被合适的反应试剂拦截，作者在340 nm光照下激发1a，结果显示在2 ps内的某个时间点出现振动激发PhSe•的信号（图3c），几十ps后光谱变成双峰结构，其中400 nm处的吸收率上升表明形成了PhSe⁺。尽管相关单硒烷光解也确实形成了PhSe•自由基，但没有形成PhSe⁺，这些结果说明SDET诱导净异裂提供了一种方便且化学特异性的方法，即通过初始自由基对的状态定向极化来编辑对称和同极性σ键的裂解。

图3. SDET过程研究。图片来源：Nature

接下来，作者将二硒烷1a、5-苯基戊-3-烯酸（6a，1.0 equiv）、TFA（0.5 equiv）和HFIP置于528 nm光照下进行反应（图4a），结果显示24 h后能以27%的产率获得1,2-anti-加成产物7a，若在447 nm进行光照则能以72%的产率和77%的转化率获得内酯7a；而将TFA换成甲磺酸（MSA）时能以定量产率获得7a。事实上，无酸添加剂时仍能以61%的产率获得7a，同时还观察到21%的丁烯酸内酯8a，这一结果有利地支持了σ键两性分解不是Brønsted酸催化的结果，而酸添加剂与溶剂可以在动力学上促进Se-Se均裂步骤，同时在SDET事件后增强了PhSe⁻阴离子的质子化，从而阻止其与抗衡离子的重组。另外，对反应条件进行稍加修改（405 nm，35°C），仅需5 mol%二硒烷1a便可以67%的产率将6a转化为8a（图4b），并且该反应能够耐受其它烯酸（6b-6f）。

图4. SDET介导的1,2-加成反应。图片来源：Nature

为了探索异极性C(sp³)-卤素σ键的典型反应性曲线能否通过SDET诱导的同极性C-Se σ键净异裂来模拟，作者比较了SDET活化烯丙基硒烷2a的亲电反应性曲线与3-溴环己烯（9）的亲电反应性曲线（图5a），结果显示在HFIP中2a和9具有相似的粗产率（分别为84%和>99%）和N²/N¹区域选择性。当亲电试剂9在K₂CO₃为碱的乙腈中进行反应时产率仍然很高（85%），但N²烯丙基化的选择性降低至41%，进而强调了HFIP对区域选择性的决定性影响。此外，通过比较2a和9对N-亲核试剂的反应性，作者发现SDET活化在两种情况下均提供了较高的产率，例如：苯胺3j（82% vs 16%）和对甲苯磺酰胺3r（96% vs 24%）。为了确保S_N1反应仅在PhSe•的吸收波段（300-630 nm）内驱动，作者使用光学滤波器装置重复实验，当在580和710 nm之间照射时能以84%的产率获得4aa（图5b），而使用630-710 nm光照（630 nm代表PhSe•吸收带的端点）会导致转化率和产率分别降低至8%和6%，这些结果证实了所需阳离子5a⁺确实仅在合适波长激发PhSe•并随后进行SDET时产生。值得一提的是，其它唑类也能有效进行反应并以39%-85%的分离产率得到相应产物（4ab-4ai）。类似地，非杂芳基N-亲核试剂（如：酰肼（3o-3q）、苯胺（3j-3n）和磺酰胺（3r-3t））也可兼容该反应，以31-90%的产率得到所需的烯丙基化产物（4aj-4at）。另外，SDET方案还能使用烷基硒烷（2d-2f）进行烷基化，从而可以制备二级磺酰胺（4dr-4fr）。

图5. 反应性研究。图片来源：Nature

总结

本文研究团队报道了对称同极性σ键通过SDET过程进行的异裂反应。以Se-Se和C-Se σ键为例，对称和同极性键首先进行热均裂，然后进行光化学SDET，最终实现净异裂。此外，作者不仅确定了相关的自由基中间体并破译了其在光驱动下相互转化为高反应性离子对的过程，还为在非亲电碳中心设计新的S_N1反应奠定了坚实的基础。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Unimolecular net heterolysis of symmetric and homopolar σ-bonds

Anna F. Tiefel, Daniel J. Grenda, Carina Allacher, Elias Harrer, Carolin H. Nagel, Roger J. Kutta, David Hernández-Castillo, Poorva R. Narasimhamurthy, Kirsten Zeitler, Leticia González, Julia Rehbein, Patrick Nuernberger, Alexander Breder

Nature, 2024, 632, 550-556. DOI: 10.1038/s41586-024-07622-7

（本文由吡哆醛供稿）

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