【原】【JACS】加州大學Doyle等團隊：高難度C(sp³)?C(sp³)偶聯反應的新型策略以及機理的研究

近日，美國加州大學洛杉磯分校Abigail G. Doyle與加州理工學院Ryan G. Hadt團隊通過多種有機金屬、光譜及計算化學研究手段，系統探究了雙烷基聯吡啶Ni(II)配合物在光照條件下實現C(sp3)?C(sp3)鍵形成的反應機理。波長依賴性量子產率、配體電子特性-反應性關系、激發態壽命測定、理論計算能障分析以及交叉實驗產物分布數據，共同驗證了光解/自由基重組（rebound）的反應機理。該反應模式與現有文獻報道的Ni(II)還原消除策略形成互補，包括：（1）采用空間位阻大的不穩定配體；（2）通過缺電子烯烴配位降低鎳中心電子密度。因此，光誘導還原消除技術將為實現高難度C(sp3)?C(sp3)偶聯反應提供新的解決方案。相關研究成果發表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.5c09925）。

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（來源：J. Am. Chem. Soc.）

近年來，與催化相關的Ni^II配合物的光化學活性，備受關注。前期，Doyle團隊研究表明，暴露于藍紫光下的(聯吡啶)Ni^II(芳基)(鹵化物)配合物會發生Ni^II?C(sp²)鍵的均裂，通過排斥性三線態配體到金屬的電荷轉移（LMCT）態，生成Ni^I配合物和C(sp²)自由基（Figure 1A）。同時，(聯吡啶)Ni^II(X)₂配合物（X = Cl或Br)也具有類似的反應性。這種從熱力學穩定的Ni^II中間體發生的光解反應是通過生成具有催化活性的Ni^I配合物來實現高效Ni^I/Ni^III催化循環的關鍵過程。除了催化劑或底物活化之外，對Ni^II配合物的輻照也能促進成鍵反應。Park團隊發現，輻照(bpy)Ni^II(Me)(SPh)（1）可以62%的收率得到乙烷，可能涉及甲基自由基的釋放過程（Figure 1B）。金屬環狀配合物（2）在輻照條件下時，僅發生分子內C-S鍵的形成反應。此外，化學家們還提出了一種光誘導的成鍵反應，即通過從三線態金屬-配體電荷轉移（³MLCT）電子態的典型還原消除過渡態實現（Figure 1C）。近日，Doyle等團隊通過光譜、光化學、計算和有機金屬的研究，系統探究了雙烷基聯吡啶Ni(II)配合物在光照條件下實現C(sp3)?C(sp3)鍵形成的反應機理（Figure 1D）。

（Figure 1，圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

C(sp³)?C(sp³)鍵形成的初步發現和潛在機理（Figure 2）。初步研究表明，(^t-Bubpy)Ni^II(CH₂SiMe₃)₂配合物（3）在光照條件下，可以32%的收率得到1,2-雙(三甲基硅基)乙烷產物（4）。同時，作者提出了三種可能的機理。在第一種機理中，通過光誘導的金屬-配體電荷轉移（MLCT）可生成瞬態Ni^III配合物（3_³MLCT），其經進一步的還原消除（³TS1）后，生成目標產物。在第二種機理中，?光照射促進Ni?CH₂SiMe₃鍵的均裂（生成中間體5），隨后通過類似S_H2的快速自由基重組過程（過渡態TS2）實現C?C鍵的構建。在第三種機理中，若上述S_H2-型鍵形成過程較為緩慢，則籠狀結構逃逸（cage escape）可能占據主導地位。新生成的硅基自由基（6）可與另一當量的底物3進行加成，生成(^t?Bubpy)Ni^III(CH₂SiMe₃)₃（7），隨后發生還原消除（TS3），最終得到產物4和Ni^I配合物（8）。此外，也可能存在一種經由TS4形成外球層S_H2-型鍵的機理途徑。

（Figure 2，圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

機理的研究（Figure 3）。首先，化合物3的紫外-可見光譜研究以及計算結果表明，促進成鍵的427 nm LED可能同時激發高能MLCT態和配體場躍遷（Figure 3A與Figure 3B）。其次，化合物3的波長依賴性光化學研究發現，較長的波長（約600-700nm）的照射，影響C-C鍵的形成。然而，在467-640 nm的光照下，觀察到的反應性可以忽略不計。相反，在較短波長（370和390 nm）的照射下，轉化率大約增加一倍（Figure 3C）。同時，根據較短波長照射（390和370 nm）導致產物4的收率增加，化合物3的消耗量子產量也隨著波長的減小而增加。此外，在COD存在下的光解產生的(^t-Bubpy)Ni⁰(COD)（9）可作為Ni光產物（Figure 3D）。

（Figure 3，圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

然而，這些結果與涉及從低能³MLCT態（紅色路徑，Figure 4A）進行還原消除的Kasha過程不一致。從基態振動能級來看，3_³MLCT₁的壽命可能不足以通過³TS1發生還原消除。作者推測，3_³MLCT₁的某個振動能級（即通過³MLCT_n的系間竄越，橙色路徑）可能更接近³TS1的能量，從而促進鍵的形成。然而，在這個能量截止點以上的激發波長照射下，未能獲得產物。為了更好地理解體系的激發態動力學，作者對配合物3和(^CO2Etbpy)Ni(CH₂SiMe₃)₂ （3^CO2Et）進行了瞬態吸收研究（Figure 4B-C）。研究結果表明，考慮到配合物3的MLCT_n態壽命較短，anti-Kasha還原消除途徑（藍線途徑）也不大可能發生。

（Figure 4，圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

為了確定哪些電子態最終能夠促進成鍵的過程，作者對配體庫與波長進行了研究（Figure 5A）。研究結果表明，聯吡啶骨架上的吸電子基團能夠穩定配體基的MLCT（金屬到配體電荷轉移）態中的自由基陰離子特性。波長依賴性量子產率結果（Figure 5B）與前述假設（即還原消除直接發生于由更高能級MLCT_n態通過內部轉換形成的振動激發MLCT₁態，即Figure 4A中的橙色路徑）亦不相符。由于涉及MLCT態直接發生還原消除的機理迄今仍與實驗證據相矛盾，因此，作者嘗試評估是否可以從非MLCT態引發有效反應。

（Figure 5，圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

為進一步探究自由基重組與擴散（diffusion）之間的競爭關系，作者在標準的光解條件下進行了相關的交叉實驗（Figure 6）。研究結果表明，絕大多數光解事件是通過重組機理而非籠效應逃逸（cage escape）導致C?C鍵的形成，后者將產生更隨機的產物混合物。同時，從混合的雙烷基Ni(II)配合物出發，通過光解/自由基重組機理可高效構建C?C鍵，最終得到交叉產物12和14。

（Figure 6，圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

同時，通過對二烷基鎳鄰菲咯啉配合物的配體空間和光促進反應性的比較表明，光誘導還原消除是一種替代性的策略，可以合成設計配體來構建C(sp³)?C(sp³)鍵（Figure 7）。

（Figure 7，圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

此外，通過結合缺電子烯烴（EDO）降低鎳的電子密度，是另一種實現C(sp³)?C(sp³)還原消除的策略。通過配合物3與多種EDOs反應的結果表明，缺乏EDO促進的還原消除可能源于新硅基配體造成的空間位阻，導致EDO與鎳中心3的不利結合（Figure 8A）。事實上以富馬酸二甲酯（19）作為EDO代表性物質進行的¹H NMR滴定實驗，未顯示其與鎳存在相互作用（Figure 8B）。作為對比，作者制備了金屬環化合物20作為位阻可接近的類似物，適用于滴定研究，因為環狀結構可因環張力抑制還原消除反應。值得注意的是，20能夠結合EDO（19），表明化合物3缺乏EDO促進反應性的原因在于新硅基配體的位阻效應。此外，作者比較了光促進鍵形成與EDO誘導還原消除策略在兩者均適用場景下的效率差異（Figure 8C）。雖然光化學途徑與EDO誘導的還原消除均為適用于位阻較小烷基片段偶聯的C(sp³)?C(sp³)鍵形成策略，但在EDO結合不利的位阻敏感體系中，光化學方法更具優勢。

（Figure 8，圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）