西安交通大学李洋课题组实现室温可见光诱导催化二芳基醚类碳氧键断裂
木质素是生物质的重要组成成分之一，在木质素中，主要包含三类C-O键：α-O-4、β-O-4和4-O-5型C-O键。通过断裂木质素中的碳氧键可以使木质素降解，为精细化学品提供可再生芳基原料。但是碳氧键键能高，木质素中二芳基醚类4-O-5型碳氧键键能高达约314 kJ/mol，是木质素高效解聚利用中的一个重要瓶颈。
断裂二芳基醚类4-O-5型C-O键，主要方法包括使用超临界水水解或氢解，但反应选择性差，致使大量芳环结构被破坏。近年来，Hartwig, Grubbs, Wang等课题组发展了相对温和条件下的选择性氢解（图1a）。在120-180 °C，用[Ni], [Fe]或[Co]作为催化剂，用H2（1-6 bar）或LiAlH4（2.5 equiv）作为还原剂，同时需要使用大量强碱，如NaOtBu/KOtBu/KHMDS（2.5 equiv），控制反应选择性。或无需使用金属催化剂，在140–165 °C，使用还原剂Et3SiH/NaH（≥2.5 equiv）和强碱KHMDS（2.5 equiv）组合，进行选择性氢解。此外，在120–200 °C以MOF或Pd/C为催化剂，H2（10-30 bar）为还原剂，反应选择性氢解可达到55%。因此，仍然有待发展更加温和高效的方法，实现二芳基醚类C-O键断裂，推进天然木质素降解研究，为精细化学品提供可再生芳基原料。
图1（图片来自Nat. Commun. 2020, 11, 6126）
2017年，课题组发展了以2-苯氧基苯甲酸为底物，在可见光照射下，以吖啶盐或PDI为光敏剂，芳基高效地从苯氧基醚迁移到羧酸，然后水解得到两分子苯酚类化合物（图2）。以此工作为基础，作者设想能否实现芳基羧酸对普通二芳基醚进行酸解，之后水解，得到两分子酚类化合物，并进一步应用到4-O-5型木质素模型分子。
图2（图片来自Angew. Chem. Int. Ed, 2017, 56, 13809）
作者设想酸解反应将通过以下路径发生，可见光诱导催化，产生芳基羧酸自由基对二芳基醚亲电进攻，之后路径进行单电子转移（图3）。但要实现该转换，挑战性强。第一，虽然多个课题组实现了分子内芳基羧酸自由基对芳环的亲电进攻，但分子间转换尚未顺利实现。第二，推测分子间反应产生的中间体和分子内反应生成的六元环中间体相比，将缺乏C-O键断的驱动力。Lewis酸催化或许会促进该转化得以实现。
图3（图片来自Nat. Commun. 2020, 11, 6126）
近日，课题组完成了室温一锅两步法断裂二芳基醚类碳氧键产生两分子酚类化合物的研究（图1b）。在可见光照射下，利用芳基羧酸酸解二芳基醚，生成羧酸酯和一分子酚类化合物，随后水解羧酸酯产生第二分子酚类化合物，并回收羧酸。其中，吖啶盐光敏剂与Cu(TMHD)2协同催化促使室温芳基羧酸酸解顺利实现。相比常规通过氢解实现二芳基醚类碳氧键断裂方法，该方法在室温用水代替了氢解还原剂，得到两分子酚类化合物，同时应用于简单木质素4-O-5型模型分子。该方法底物适用范围较为广泛，可以进行克级反应（图4）。
图4（图片来自Nat. Commun. 2020, 11, 6126）
通过紫外-可见吸收光谱，荧光淬灭及氧化还原电势测定等实验对反应机理进行了研究（图5, 6）。在荧光淬灭实验中（图5b），芳基羧酸负离子对激发态光敏剂的淬灭斜率最大，与之相比较，芳基羧酸负离子和Cu(TMHD)2的组合对光敏剂的淬灭斜率盐较低，基于此实验结果，推测Cu(TMHD)2和光敏剂发生单电子转移的可能性较小。另外，分别测定了在有或无Cu(TMHD)2的存在时，反应体系的pH，推测Cu(TMHD)2在反应体系中发发挥了盐效应，促进了芳基羧酸电离，生成芳基羧酸负离子。另外，反应条件优化中的一系列对照实验推测Cu(TMHD)2作为路易斯酸促进该转换高效实现。
图5（图片来自Nat. Commun. 2020, 11, 6126）
此外，在标准反应条件下外加TEMPO，反应得到了氧化偶联产物5a和5b（图6），和标准反应条件下得到的产物相比，推测芳基羧酸和二芳基醚以可逆的方式产生了中间体B'，C和C'。在标准反应条件下，通过Cu(TMHD)2活化，促进B'的醚键断裂，促使平衡移动生成羧酸酯和酚；在加入TEMPO作为氧化剂时，促使平衡向生成氧化偶联的产物5a和5b移动。
图6（图片来自Nat. Commun. 2020, 11, 6126）
根据一系列实验结果，提出的反应可能机理为：Cu(TMHD)2促进芳基羧酸电离生成羧酸负离子；光敏剂在可见光照射下到达光敏剂激发态PC*，与羧酸负离子发生单电子转移生成芳基羧酸自由基A'和光敏剂负离子自由基PC–·，A'对二芳基醚1a进行亲电进攻形成B'，在Cu(TMHD)2协同催化下， B'与PC–·发生单电子转移，生成3a和4a，光敏剂回到基态（图7）。
图7（图片来自Nat. Commun. 2020, 11, 6126）
该成果以论文形式发表在《自然通讯》（Nature Communications, 2020, 11, 6126），论文题目为“Visible-light photoredox-catalyzed C–O bond cleavage of diaryl ethers by acridinium photocatalysts at room temperature”。该研究工作受到国家重点研发计划“可再生能源与氢能” 重点专项“木质纤维素转化制备戊酸酯类燃料联产化学品研究”（2018YFB1501601）及南开大学元素有机化学国家重点实验室开放基金资助。西安交通大学前沿院博士生谭芳芳是本文的第一作者，李洋研究员为本文通讯作者，前沿院及动力工程多相流国家重点实验室为该论文的第一通讯单位。