Science：“特權手性光催化劑”來了，結構長啥樣？

導讀

近日，英國圣安德魯斯大學Eli Zysman-Colman教授和美國威斯康星大學麥迪遜分校Tehshik P. Yoon教授合作，通過用電子給體咔唑單元修飾特權吡啶雙(噁唑啉)配合物的結構，設計了一個對映選擇性光催化劑家族。其手性配體可從市售的手性源材料出發，通過三步合成獲得，并且其電荷轉移光化學性質可被合理調控，以優化光催化活性。作者在三個模型不對稱反應中展示了這些新手性光催化劑結構的普適性。文章鏈接DOI：10.1126/science.aeb5832

正文

為特定合成應用確定最佳手性催化劑結構是對映選擇性合成的核心挑戰，通常需要進行大量經驗性的、迭代的優化。這些工作受益于“特權”手性催化劑的存在，它們通常是催化劑精細化的良好起點（圖1A）。由于不對稱反應優化通常需要考察許多催化劑類似物，最常見的特權催化劑框架是模塊化的，能夠微調手性環境并生成用于篩選的催化劑類似物庫。當催化劑可以從市售的對映體純原料（“手性源”）以最少的步驟合成時，這一點尤其實用。

圖1.特權光催化劑的設計（圖片來源：Science）

不對稱光催化中，高效且通用的手性光催化劑非常稀缺。大多數現有光催化劑合成路線長、需要手性拆分，且適用范圍有限。雖然有一些“特權結構”催化劑（如 bis(oxazoline)、BINOL磷酸等）在基態反應中表現優異，但它們在光催化中應用受限（圖1B）。開發一類合成上易得、結構可調、機制上通用的特權手性光催化劑，可以促進其更廣泛領域的應用，并極大地加速不對稱光化學的進展。

吡啶雙(噁唑啉)配合物是最被深入理解的特權催化劑結構之一，其中心吡啶配體作者設想可作為CT(charge-transfer，電荷轉移)光催化劑的受體部分。作者認為，在吡啶的4-位引入咔唑單元，將在咔唑為中心的最高占據分子軌道和吡啶為中心的最低未占分子軌道之間產生一個可及的CT躍遷。此外，類似于吖啶、咔唑基聯吡啶和其他給體-受體系統的路易斯酸配合物，預期吡啶基團與路易斯酸的配位將穩定LUMO，這將轉化為更低的S1態能量，理想情況下可達可見光激發范圍。類似的給體-受體pybox配合物先前已被合成用于圓偏振發光應用，但此類配合物尚未在光催化背景下被探索。

作為對設計策略的初步測試，作者以合成Cz-tBu-pybox配體L1為目標。已知的氯化前體2可以通過成熟的兩步一鍋法程序輕松制備，在常規的親核芳香取代條件下，咔唑單元可以高產率地安裝上去。這種合成方法具有高度模塊化：手性噁唑啉定義的立體化學環境可以通過使用市售的各種對映體純氨基醇開始合成來改變，而配體的電子性質可以使用SNAr步驟中不同的N-雜環給體輕松調節。因為配體的立體化學信息來源于手性源，所以該配體可以通過簡單的柱層析純化，無需手性拆分。

圖2.紫外-可見吸收光譜（圖片來源：Science）

接下來，使用紫外-可見吸收光譜驗證了本文的CT設計原理（圖2）。隨著取代基從H變為NMe2再變為Cz，吸收光譜的起始逐漸發生紅移；然而，這些自由配體在400 nm以上都沒有強吸收。加入Sc(OTf)3作為代表性路易斯酸，導致每種配體的UV-vis吸收發生紅移，使L1能夠吸收可見光。與這些數據一致，加入Sc(OTf)3后，L1的溶液顏色從無色變為黃色。與母體配體L1和配合物[Sc(Cz-tBu-pybox)(OTf)3]相比，在Cz的3-位和8-位用吸電子CF3基團或給電子OMe基團取代，會使吸收發生藍移或紅移。這意味著HOMO能級被選擇性調節，并且低能量吸收帶的性質確實是CT。這些結構-性能關系趨勢得到了密度泛函理論計算的支持。該系列配體的穩態發射光譜反映了激發態能量的相同趨勢。

在DCM中對配體和配合物進行的時間分辨光致發光測量顯示了多指數衰減動力學，配合物的最長壽命組分在7到17納秒之間，而配體的最長壽命組分往往稍快。最小的ΔEST為0.18 eV，對應[Sc((CF3)2Cz-tBu-pybox)(OTf)3]，其在DCM中的激發態壽命是該族配合物中最長的。

接下來，在系列模型不對稱光反應中評估了這些光催化劑的潛力。每個模型反應先前都是在雙催化條件下報道的，使用手性Sc/pybox催化劑與消旋的Ru基或Ir基光催化劑串聯。最初，考察了由α-硅基苯胺的光催化氧化引發的對映選擇性Giese型α-氨基自由基加成反應。使用[Sc(Cz-iBu-pybox)(OTf)?]同時作為光催化劑和立體誘導源，確定了反應條件，在此條件下可以生成Giese加成產物5a，其產率和ee值與原報道完全相同。在所有情況下，都觀察到相似的高產率和對映選擇性。這些結果表明，咔唑單元的引入并沒有實質性地擾亂Sc(III)中心周圍的手性環境。事實上，改變Cz-pybox骨架上噁唑啉的取代基，導致了在雙催化劑系統中觀察到的相同的對映選擇性趨勢，由亮氨醇衍生的iBu噁唑啉在兩種系統中都提供了最優的ee值（圖3）。

圖3.對映選擇性應用（圖片來源：Science）

在確立了[Sc(Cz-iBu-pybox)(OTf)3]作為不對稱光氧化還原催化劑的有效性后，接下來考察了其在不對稱光誘導能量轉移反應中的性能。選擇了一個2'-羥基查爾酮6的模型[2+2]光環加成反應，與光氧化觸發的Giese加成一樣，也能夠確定反應條件，在該條件下形成環丁烷產物8，其產率、立體選擇性和普適性幾乎與原報道相同，這表明[Sc(Cz-iBu-pybox)(OTf)3]可以同時充當手性路易斯酸催化劑和三重態敏化劑的角色。在這些研究中，雙催化劑系統中最佳的叔亮氨醇衍生的噁唑啉取代基在Cz-pybox骨架上也被證明是最理想的。即使反應時間延長，反應也可以在低負載量的手性催化劑下進行，這與單催化劑系統相對于雙催化方法在動力學上具有優勢的假設一致。這些結果表明，在先前應用中廣泛使用pybox配體所獲得的經驗知識，可以很容易地轉化到由這個光催化劑家族介導的光氧化還原和激發態反應中。

圖4. Giese加成反應的其他應用（圖片來源：Science）

雙催化不對稱光反應的一個重要策略特征是能夠改變光催化劑結構，以合理優化熱力學參數，如三重態能量和氧化還原電位。對配體L1-L3與Sc(OTf)3的1:1混合物進行的循環伏安研究表明，Eox值呈現出直觀的趨勢。盡管引入這些不同的咔唑給體基團顯著改變了相應Sc配合物的光物理和電化學性質，但通過三苯基氧膦路易斯酸探針的31P核磁譜判斷，這些配合物具有幾乎相同的路易斯酸度。

修改催化劑電化學性質的能力在將此類光催化劑應用于對映選擇性α-氧基自由基Giese加成反應中被證明至關重要。盡管這個反應與上述α-氨基自由基加成反應表面上相似，但α-硅基醚9比α-硅基胺3更難氧化。與這個反應需要更強的氧化電位一致，作者發現[Sc(Cz-iBu-pybox)(OTf)3]不是此轉化的有效光氧化還原催化劑。然而，含有吸電子三氟甲基基團的催化劑[Sc((CF3)2Cz-iBu-pybox)(OTf)3]由于其對自由基前體和Giese受體都表現出相似的底物普適性，被證明在此Giese反應中非常有效，在改變原體系其他反應參數后，母體Giese加成產物以高產率和優異的對映選擇性獲得（圖4）。

盡管本文探討的所有三個模型反應都可以用雙催化劑系統完成，但在許多情況下，使用手性光催化劑可以解鎖新的反應性或選擇性。使用Cz-pybox平臺能夠以高產率和對映選擇性合成多種先前難以獲得的芳基取代的Giese加合物。這種反應性的差異可能是由于缺電子咔唑光催化劑的高度氧化性，導致這兩種光催化劑的激發態在能量轉移和電子轉移過程之間分配不同。除了確立Cz-pybox光催化劑替代雙催化劑系統的能力，這些結果也突顯了該平臺在開發獨特的不對稱光反應方面的有效性。

總結

作者開發的手性光催化劑平臺已經具備了成熟的、高度通用的特權催化劑系統的幾個關鍵特征。首先，從市售手性源材料出發，Cz-pybox配體的簡短、模塊化合成，能夠快速合成具有多個可調特征的催化劑類似物。第二，手性路易斯酸配合物的光電性質很容易被理解為源于可及的給體-受體電荷轉移態，這有助于對其進行合理調控，以優化機制不同的光反應。最后，由于這種光催化劑設計利用了pybox配合物的核心結構特征，而pybox配合物是已知的最被深入理解和多功能的特權催化劑之一，預期這些手性光活性路易斯酸將展現出類似的一般性能力，能夠控制機制多樣的光催化反應的對映體決定態。

文獻詳情：

Riley M. Kelch, Lea H?mmerling, Eli Zysman-Colman*,Tehshik P. Yoon*. Modular enantioselective photocatalysts from privileged pybox scaffolds. Science，2026，https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb5832

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