我们在此前的文章中为大家详细介绍了有机光氧化还原催化剂2,4,5,6-四（9-咔唑基）间苯二腈（4CzIPN）的发现历程及其在有机合成领域的应用（见文末推荐阅读），今天再来聊聊另一种结构——吖（ā）啶鎓盐。4CzIPN的分子结构（图片来源：参考资料[1]）很多人对吖啶鎓盐可能并不陌生，这类化合物在近年来光氧化还原催化领域的研究中已数见不鲜，出现频率仅次于RuII、IrIII配合物催化剂。最早得到大范围推广应用的吖啶鎓盐由日本大阪大学（Osaka University）的Shunichi Fukuzumi教授开发设计，其中氮杂蒽核心骨架的9位取代均三甲苯基，同时N原子上修饰CH3。后来，美国北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）的David A. Nicewicz教授又在此基础上对其结构作进一步调整（PC2、PC3），提高了催化剂参与反应时的稳定性。Fukuzumi教授与Nicewicz教授设计的吖啶鎓盐（图片来源：参考资料[3]）吖啶鎓盐并非天然存在的结构，想来大家会好奇这类有机光氧化还原催化剂的设计思路以及各个位点修饰特定取代基的用意。或许我们可以从分子骨架更简单的喹啉鎓盐说起，早在上世纪80年代，美国马里兰大学（University of Maryland）的Patrick S. Mariano教授对不同结构N-烷基喹啉鎓盐的光物理特性进行了详细的研究。这类化合物的吸收带主要位于近紫外光区（315~350 nm），形成单重激发态（S1）时具有很强的氧化性（还原电势一般大于2.5 V），加之激发态寿命较长，有望在光催化反应中得到应用。以N-甲基喹啉鎓高氯酸盐（NMQ-ClO4）为例，其S1态的还原电势高达2.7 V，单电子还原后产生的自由基物种NMQ·又具有良好的还原性，能在温和氧化剂（如O2）的作用下重生NMQ+，由此便可构成催化循环。不同结构吡啶、喹啉、异喹啉鎓盐的光物理特性（图片来源：参考资料[5]）有人的确根据以上反应途径设计了光催化的氧化反应。例如，二烷基硫醚或芳基烷基硫醚在N-甲基喹啉鎓六氟磷酸盐（NMQ-PF6）的作用下可转化为相应的亚砜，其中O2用作氧化剂。上文提到的Fukuzumi教授还在N-甲基喹啉鎓盐的3位引入CN，制得的QuCN-ClO4在氙灯（λ = 290-600 nm）的照射下能将苯直接氧化为酚，将亲核试剂换为醇、NEt4F·4HF还可实现其烷氧基化、氟化，但反应效率有待提高。NMQ-PF6催化二烷基硫醚或芳基烷基硫醚的氧化（图片来源：参考资料[2]）QuCN-ClO4用作光催化剂参与苯的C-H键官能化（图片来源：参考资料[2]）不过，此类催化剂处于基态时2、4位很容易与其他亲核试剂反应。下图展示了NMQ+参与光催化氧化时可能存在的副反应，相应的还原态中间体NMQ·也会通过自由基加成的途径得到去芳构化的产物，导致催化剂失活，限制了其在有机合成中的应用。NMQ+参与光催化反应时可能存在的副反应（图片来源：参考资料[2]）从分子结构来看，吖啶鎓盐可视为苯并喹啉鎓盐。稠合的苯环不仅能阻断喹啉鎓盐的2位与其他活性物种反应，还可通过扩大π共轭体系使其吸收带红移，在可见光的作用下便能跃迁至激发态。吖啶鎓盐的S1态同样具有很强的氧化性，例如，N-甲基吖啶鎓盐（Acr-Me+）的还原电势（E*red(Acr-Me+/Acr-Me·)）为2.32 V，荧光量子产率高、激发态寿命长，为应用于光氧化还原催化反应带来了有利条件。然而，氮杂蒽的9位同样会发生上述两种副反应。Fukuzumi教授曾尝试将该位点取代Ph，此时能抑制自由基加成途径，但激发态的Ph-Acr-Me+仍会受到体系中其他亲核试剂的影响。另外，由于其中的Ph取代基可自由旋转，荧光量子产率与激发态寿命也随之明显下降。2004年，他又合成出9位修饰2,4,6-三甲苯基的N-甲基吖啶鎓盐Mes-Acr-Me+ClO4-。空间位阻较大的均三甲苯基团能有效阻断亲核、自由基活性物种对该位点的进攻，化学稳定性得以改善，加之苯环的旋转受阻，上文提及的两个光物理数据也可保持可观的水平。吖啶鎓盐参与光催化反应时可能存在的副反应及9位修饰均三甲苯基的N-甲基吖啶鎓盐的设计理念（图片来源：参考资料[2]）与此前介绍的4CzIPN类似，9-均三甲苯基-10-甲基吖啶鎓阳离子（Mes-Acr-Me+）中的吖啶鎓与均三甲苯分别作为电子受体与给体，形成“给体-受体（D-A）”结构。Fukuzumi教授还借助X射线晶体衍射分析对Mes-Acr-Me+ClO4-的结构进行表征，两个片段所处的平面近乎垂直。密度泛函理论（DFT）计算表明，Mes-Acr-Me+的HOMO、LUMO分立于给体与受体单元，意味着人们也可通过分别变换两者的取代基来调控这两个分子轨道，进而改变整个结构的氧化、还原电势。Mes-Acr-Me+的X射线晶体衍射结构与HOMO、LUMO轨道示意图（图片来源：参考资料[7]）Mes-Acr-Me+在可见光的照射下跃迁至激发态，进而发生给体、受体间的电子转移形成电荷转移态Mes·+-Acr·-Me，后者在PhCN中的还原电势为1.88 V，能直接将H2O氧化。如果利用这类吖啶鎓盐设计光氧化还原催化反应，人们很自然地会将各种不同类型化合物的氧化过程与之联系起来。同年，Fukuzumi教授便以Mes-Acr-Me+ClO4-作为催化剂，O2用作氧化剂，与蒽类化合物混合后可通过[4+2]环加成转化为对应的过氧化物。当蒽的9、10位无其他取代基时，反应最终主要得到醌类产物。四取代乙烯（如四苯乙烯（TPE））也能在Mes-Acr-Me+ClO4-的作用下与O2发生[2+2]环加成，进而氧化裂解为酮。Mes-Acr-Me+ClO4-催化蒽类化合物的氧化（图片来源：参考资料[8]）Mes-Acr-Me+ClO4-催化四取代乙烯的氧化裂解（图片来源：参考资料[2]）随后，Fukuzumi教授又借助类似的反应体系完成了甲苯类化合物的催化氧化，最终可得到相应的苯甲醛产物。底物中包含多个CH3时（如对二甲苯、均三甲苯）仅其中一个发生选择性氧化。他还尝试以9位Ph取代的吖啶鎓盐作为光氧化还原催化剂设计相同的转化过程，反应效果并不理想，由此也体现了Mes-Acr-Me+中均三甲苯基团的关键作用。假使在体系中再加入HCl，苯甲醛又可进一步转化为苯甲酸。吖啶鎓盐催化甲苯类化合物氧化为苯甲醛（图片来源：参考资料[2]）Mes-Acr-Me+ClO4-催化甲苯类化合物氧化为苯甲酸（图片来源：参考资料[2]）除了氧化反应，Mes-Acr-Me+ClO4-还能用于芳香烃的C-H键卤化。2011年，他又使用HBr作为溴化试剂，实现了苯甲醚及其衍生结构的溴化，部分底物能以几近定量的收率得到目标产物溴苯，但如果苯环修饰CH3，会发生苄位氧化的竞争反应，导致其收率下降。噻吩也可通过这种方法将2位的C-H键溴化。Mes-Acr-Me+ClO4-催化苯甲醚的C-H键溴化（图片来源：参考资料[2]）吖啶鎓盐类光氧化还原催化剂也得到北卡罗来纳大学教堂山分校Nicewicz教授的密切关注。后续他利用这类结构开发了多种不同类型的化学转化，某种程度上讲，将吖啶鎓盐在有机合成中的切实应用推向了新的高度。我们将在近期的文章中继续与大家分享这部分内容。参考资料
[1] Jian Luo et al., Donor-Acceptor Fluorophores for Visible-Light-Promoted Organic Synthesis: Photoredox/Ni Dual Catalytic C(sp3)-C(sp2) Cross-Coupling. ACS Catal. 2016, 6, 873.
[2] Nathan A. Romero et al., Organic Photoredox Catalysis. Chem. Rev. 2016, 116, 10075.
[3] Anis Tlili et al., Acridinium Salts and Cyanoarenes as Powerful Photocatalysts: Opportunities in Organic Synthesis. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19526.
[4] Shunichi Fukuzumi et al., Organic synthetic transformations using organic dyes as photoredox catalysts. Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 6059.
[5] Ung Chan Yoon et al., Exploratory and mechanistic aspects of the electron-transfer photochemistry of olefin-N-heteroaromatic cation systems. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 1204.
[6] Kei Ohkubo et al., Direct Oxygenation of Benzene to Phenol Using Quinolinium Ions as Homogeneous Photocatalysts. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8652.
[7] Shunichi Fukuzumi et al., Electron-Transfer State of 9-Mesityl-10-methylacridinium Ion with a Much Longer Lifetime and Higher Energy Than That of the Natural Photosynthetic Reaction Center. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1600.
[8] Hiroaki Kotani et al., Photocatalytic Oxygenation of Anthracenes and Olefins with Dioxygen via Selective Radical Coupling Using 9-Mesityl-10-methylacridinium Ion as an Effective Electron-Transfer Photocatalyst. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15999.
[9] Kei Ohkubo et al., Efficient Photocatalytic Oxygenation of Aromatic Alkene to 1,2-Dioxetane with Oxygen via Electron Transfer. Org. Lett. 2005, 7, 4265.
[10] Kei Ohkubo et al., Selective photocatalytic aerobic bromination with hydrogen bromide via an electron-transfer state of 9-mesityl-10-methylacridinium ion. Chem. Sci. 2011, 2, 715.
