鲁米诺（Lucigenin）作为高效光氧化还原催化剂的研究进展

《Chemical Science》：A focus on lucigenin as a potent photoredox catalystOpen Access

　　

老药新用：早已确立的荧光和化学发光探针鲁米诺（Luc2+，即N,N′-二甲基-9,9′-双吖啶盐）也可作为一种强效的光氧化还原催化剂。该化合物以硝酸盐形式市售可得，近期由Feringa及其合作者展示了一种简单的阴离子交换反应，将其转化为更具亲脂性的Luc2+(BF4?)2，从而获得一种可溶且多功能的催化剂。由于其高激发态还原电位，这种双阳离子骨架能够在广泛的底物范围内实现对未活化芳烃的氧化性氮唑化反应。

论文解读文章

研究背景与问题

光氧化还原催化（PRC）已成为合成化学领域日益重要的工具，能够在温和条件下实现新的反应性和转化。尽管已有大量金属基和有机光氧化还原催化剂被开发出来，但一个共同的挑战仍然是对相对惰性底物的活化，特别是那些具有高氧化还原电位的底物，例如简单的未活化芳烃。为克服这一障碍，研究者发展了诸如连续光诱导电子转移（conPET）和电活化光氧化还原催化（e-PRC）等策略，通过原位顺序活化步骤生成高活性催化剂。然而，这些方法往往涉及高度活泼的催化剂中间体和/或复杂的实验装置。另一种途径是通过合成修饰来调控传统“单光子”有机光氧化还原催化剂的氧化还原电位。在这一背景下，阳离子吖啶盐（Acr⁺）骨架尤为引人注目。例如，Nicewicz等人的开创性工作表明，吖啶光氧化还原催化剂能够实现富电子芳烃的C-H胺化反应。然而，许多常见的早期吖啶光氧化还原催化剂虽为强氧化剂，其典型激发态还原电位E(*Acr⁺/Acr˙)在相对于饱和甘汞电极（SCE）+2.0至+2.15 V范围内，通常无法氧化性地作用于缺电子芳烃如卤代苯或苯本身。将这些简单的原料化学品转化为更复杂的结构，将提供一条有价值的替代路线，尤其在芳烃胺化反应中，传统上需通过Buchwald-Hartwig反应制备。

研究内容与结论

针对上述问题，Kerzig、Hansmann及其合作者近期报道了双阳离子吖啶-卡宾杂化光催化剂，其固有缺电子特性并拥有高达+2.5 V（vs. SCE）的激发态还原电位，从而实现了缺电子芳烃及苯的氧化性氮唑化反应。在本刊近期发表的一项研究中，Feringa及其合作者采用类似的光氧化还原策略，利用鲁米诺（Luc²⁺）——一种简单的双阳离子吖啶二聚体——催化了多种氮唑化反应。这包括苯与一系列不同单取代和多取代吡唑、咪唑、三唑及四唑的偶联反应，甚至包括对基于四唑的降压药厄贝沙坦进行的分子内C-H胺化反应。此外，通过吡唑与包括缺电子卤代苯在内的各种苯衍生物反应，也获得了多种N-芳基化吡唑，突显了该方法在两个偶联伙伴上的广泛底物适用性。值得注意的是，在优化反应条件下，无需额外添加剂（如常用的含氟溶剂六氟异丙醇HFIP，一种潜在的有问题的全氟和多氟烷基物质PFAS）或额外氧化剂（大气中的氧气除外）。最引人注目的是使用了鲁米诺这一可能是最简单的吖啶二聚体作为催化剂。这种双阳离子化合物的结构已知至少120年，其作为市售硝酸盐已被广泛应用于光学传感探针，具有明亮的荧光和化学发光性质。然而，由于其在有机溶剂中溶解度有限，硝酸盐本身并非有效的光氧化还原催化剂。通过简单的阴离子交换反应得到Luc²⁺(BF₄^?)₂这种稳定的盐，解决了这一问题。这代表了一种优雅且实验上简便的方法，用于获得简单而高效的光氧化还原催化剂，并引出一个问题：还有多少其他长期已知的有机骨架可能也是良好的光氧化还原催化剂。

关键技术方法

研究人员采用了一系列机理研究方法，包括Stern-Volmer淬灭实验，以探究反应机制。他们通过电化学伏安法研究了鲁米诺独特的氧化还原特性，发现其表现出明显的两电子氧化还原过程（电位反转或歧化）。此外，研究人员还利用阴离子交换技术将市售的鲁米诺硝酸盐转化为更具脂溶性的四氟硼酸盐Luc²⁺(BF₄^?)₂，以提升其在有机反应介质中的溶解度和催化性能。

研究结果

反应机理与催化循环

通过一系列机理研究，研究人员提出了可能的反应机理。光催化循环（如图1C实线所示）大致与其他吖啶体系相似。具体而言，光激发的催化剂Luc²⁺通过单电子转移（SET）氧化底物，自身被还原淬灭生成Luc˙⁺。由于催化剂的估计激发态还原电位E(Luc²⁺/Luc˙⁺)约为+2.23 V（vs. SCE），不足以氧化某些缺电子苯衍生物，因此通常涉及的芳烃活化途径（图1D顶部）可能不适用于所有情况。相反，研究人员提出首先氧化氮唑（图1D底部）作为替代路径，该提议得到了Stern-Volmer淬灭实验等的实验支持。根据具体的底物组合、浓度和反应条件，两种路径都可能对总体反应性有所贡献。

鲁米诺的二聚体结构与独特性质

鲁米诺的光氧化还原性质看似与标准单吖啶体系匹配，但深入研究发现其二聚体结构带来了独特性质。作为典型的过度拥挤的双三环芳香烯烃（BAEs），中性双还原态Luc（亦称二甲基联吖啶酮DMBA）采取折叠构象，其几何结构与采取扭曲构象的双阳离子态Luc²⁺和自由基阳离子态Luc˙⁺显著不同。因此，电子转移与几何重排强烈耦合，引发了独特的动态氧化还原特性。这包括氧化和还原均表现为明显的两电子过程，且发生在显著不同的电位（滞后现象）。在典型的伏安图中，中间体自由基阳离子Luc˙⁺因被快速消耗（例如通过热力学上更有利的第二电子转移或歧化反应）而无法观察到或产生可观数量。

歧化途径的提出

本焦点文章的作者认为，上述光催化循环中也可能涉及歧化过程：扭曲的自由基阳离子Luc˙⁺的歧化可以再生活性催化剂Luc²⁺以及中性Luc（初始为扭曲态，随后迅速重排为折叠中性态，从而推动平衡向此方向移动）。氧气作为化学计量氧化剂，随后可将中性态重新氧化。总体上，这将降低潜在活泼/不稳定的Luc˙⁺态的稳态浓度，并可能对体系的催化性能产生有利贡献。

未来展望

鉴于鲁米诺可通过吖啶酮的二聚化简便合成，对其骨架进行进一步的结构多样化也应易于实现。同样，与相关阳离子有机光催化剂/构建块（如硒代呫吨鎓盐）形成的杂化物或同源二聚体，也可能展现出有趣的光氧化还原行为。

讨论与结论

本焦点文章的作者指出，上述额外的/替代性的再氧化途径对合成相关步骤的机理提议没有影响。然而，考虑这种罕见的两电子氧化还原化学的含义，可能为了解这些体系的性能提供有用的见解，并在合成及其他领域实现潜在的新应用。近期，Slanina及其合作者的一项研究优雅地展示了成对的动态氧化还原开关（包括Luc²⁺/DMBA体系）可以进行双向光氧化还原介导的开关。总而言之，这项研究证明了将长期已知的荧光和化学发光探针鲁米诺，通过简单的阴离子交换转化为高效光氧化还原催化剂的可行性。该催化剂凭借其高激发态还原电位和独特的二聚体结构带来的动态氧化还原特性，成功实现了对未活化芳烃（包括缺电子芳烃和苯）的氧化性氮唑化反应，且反应条件温和，无需额外添加剂或氧化剂。这项工作不仅提供了一个简洁有效的催化平台，也为重新评估其他已知有机骨架在光氧化还原催化领域的潜力开辟了新思路。