稳定有机自由基TTM-3PCz实现红光介导的双重态-三重态能量转移光催化

《Chemical Science》：Red light mediated energy transfer catalysis via stable organic radicalsOpen Access

　　

光催化是化学合成中的一种多功能工具，但长期以来主要依赖于高能紫外光（UV）或蓝光激发。近年来，研究人员已努力使用低能红光激发进行光催化。红光光催化具有关键优势，如提高选择性并减少副反应、更好的生物相容性以及更深的反应介质穿透能力。然而，目前的红光光催化剂通常需要稀有且昂贵的金属，反应范围有限，或难以制备。本文中，研究人员报道了一种稳定的有机自由基TTM-3PCz，作为红光吸收的能量转移（energy transfer, EnT）光催化剂。该自由基由三(2,4,6-三氯苯基)甲基（tris(2,4,6-trichlorophenyl)methyl, TTM）骨架组成，可由廉价前体轻松合成。由于其开壳层特性，TTM-3PCz可被光激发至双重态（doublet state）。该激发双重态通过Dexter型双重态-三重态能量转移（doublet-to-triplet energy transfer, DTEnT）直接布居各种底物的反应性三重激发态。研究人员展示了TTM-3PCz可促进多种反应，包括光氧化、环化、[2+2]环加成和异构化。其性能可与传统含稀有金属的高能光激发光催化剂相媲美。研究人员证明稳定有机自由基是一类新型的、空气耐受的、不含稀有金属的红光介导转化光催化剂。

**论文解读**

**一、研究背景与问题**

光催化（photocatalysis）利用光能驱动化学转化，在温和条件下实现高效率和选择性的有机合成，已成为现代合成有机化学中的重要工具。然而，传统光催化长期依赖高能紫外光或蓝光激发。近年来，低能红光光催化作为新兴领域开始受到广泛关注。相比于紫外光和蓝光，红光激发具有以下优势：（1）减少操作和健康危害——长期暴露于蓝光等高能光子可能对眼部组织造成损伤；（2）更深的介质穿透能力；（3）减少非期望的副反应，提高选择性——有机底物通常吸收更高能的蓝光和紫外光，红光激发可避免试剂、催化剂和产物的降解。这些优势赋予红光光催化在生物治疗、生物成像、聚合物合成和大规模合成等领域的巨大应用潜力。

然而，红光光催化剂（photocatalyst, PC）的发展仍然稀少。亚甲基蓝及其他红光吸收有机染料虽长期使用，但反应范围有限。近年来，研究人员探索了新型催化剂以拓展红光光催化的反应范围：Gianetti等开发的二甲氧基喹吖啶酮盐（dimethoxyquinacridinium, DMQA⁺）可执行广泛的高要求光还原和光氧化反应以及色选择性C(sp²)–X键活化，但其合成困难，原料不易获取；含重金属的多吡啶配合物通过引入红光吸收有机染料或扩展配体的π共轭体系实现红移吸收，Rovis等开发的锇基光催化剂利用自旋禁阻的S₀→T₁跃迁吸收红光，Ru(bpy)₃²⁺也被证明可通过类似机制在红光下驱动反应，但这些重金属配合物的合成与纯化困难，且依赖铱、钌、锇等稀有昂贵金属，锇的使用还引发毒性问题。此外，目前已报道的大多数红光光催化通过单电子转移（single electron transfer, SET）机制进行，而通过能量转移驱动的红光光催化尽管概念上更为简洁，却仍然稀缺。在此背景下，研究人员旨在开发无金属、经济、合成易得的光催化剂，用于低能红光激发下的能量转移光催化。

**二、研究概述与重要意义**

研究人员报道了基于三(2,4,6-三氯苯基)甲基（TTM）的稳定有机自由基TTM-3PCz作为一种新型红光介导能量转移光催化剂。通过利用TTM-3PCz的自旋双重态（spin-doublet）特性，研究人员实现了自旋允许的双重态-三重态能量转移（DTEnT），从而绕过了传统闭壳层光催化剂所必需的系间窜越（intersystem crossing, ISC，即分子在不同多重度的电子态之间的非辐射跃迁）带来的能量损失。这使得多种能量转移光催化反应能够在低能红光激发下高效进行，包括光氧化、二烯基叠氮环化、[2+2]环加成和偶氮苯异构化。该研究的重大意义在于：首次直接利用稳定有机自由基的双重态特性通过DTEnT实现红光光催化反应，为稳定有机自由基开辟了超越有机发光二极管（OLED）和自旋电子学的新应用领域——光催化。TTM-3PCz不含稀有金属、可由廉价前体合成、在环境气氛下有效工作，兼具操作简便性和广泛的反应适用性。

**三、关键技术方法**

TTM-3PCz的合成路线包含三步：首先进行氯仿与1,3,5-三氯苯之间的傅克烷基化反应，随后在低载量钯催化剂下进行Suzuki–Miyaura交叉偶联形成质子化前体HTTM-3PCz，最后经去质子化和氧化生成目标自由基。合成总产率为15%，采用高效液相色谱（HPLC）纯化以去除未转化的质子化前体。关键表征与分析方法包括：紫外-可见吸收光谱和发射光谱（用于测定D₁态能量约为1.80 eV和双重态激发态寿命21.2 ns）、Stern–Volmer猝灭实验（测定能量转移速率常数为6.6×10⁸ M^-1 s^-1）、以及利用开源工具EnTdecker计算底物的激发态三重态能量。光催化反应采用660 nm LED（100 W）作为深红光光源，在光反应器中进行。催化剂稳定性通过反应后快速色谱分离回收进行评估。

**四、主要研究结果**

**（1）设计策略：双重态自由基作为能量转移光催化剂**

在传统能量转移催化中，闭壳层光催化剂的催化活性态是激发三重态（³PC*），需先由紫外或蓝光激发至单重激发态（¹PC*），再经系间窜越到达³PC*，该过程存在显著能量损失。尽管锇基和钌基配合物近期被发现可通过自旋禁阻的S₀→T₁直接激发，但该跃迁强度弱，导致光催化速率缓慢。研究人员的策略利用TTM自由基的开壳层特性：由于TTM自由基在基态（D₀）和激发态（D₁）均为自旋双重态，D₀→D₁跃迁是自旋允许的，无需系间窜越。通过Dexter型能量转移，D₁能量被转移至底物，布居其三重激发态。TTM自由基的双重激发态能量约为1.9–2.0 eV，与钌基光催化剂的三重激发态能量相似，因此可在许多能量转移反应中替代钌基光催化剂。

**（2）TTM自由基的合成**

研究人员选择含N-芳基化咔唑基团的TTM-3PCz作为光催化剂，因其合成简便、对红光吸收强且在初步筛选中表现出优异的催化性能。固体TTM-3PCz在环境条件下稳定，在通风橱光照下储存14天未观察到光降解。合成细节和光物理性质详见支撑信息。

**（3）单线态氧介导的光氧化**

研究人员首先通过1,5-二羟基萘（1,5-DHN）氧化为胡桃醌（juglone）的反应验证TTM-3PCz作为能量转移光催化剂的有效性。由于TTM-3PCz的双重激发态寿命较短（21.2 ns），在空气条件下（乙腈中溶解氧浓度约1–2 mM），只有小部分激发态物种在TTM-3PCz*本征地豫回基态之前与O₂发生DTEnT。在空气中使用660 nm深红光照射19小时，胡桃醌分离产率为38%。当反应混合物用纯氧鼓泡至少30分钟并在氧气球下照射时，产率提高至84%，表明增加氧浓度增强了TTM-3PCz与O₂之间的DTEnT概率。反应后通过快速色谱法回收催化剂，超过90%的初始TTM-3PCz被回收，证实了该材料的稳定性。该反应是首次利用稳定有机自由基作为光催化剂通过DTEnT实现红光光催化的概念验证。

**（4）光催化二烯基叠氮环化**

研究人员研究了最初由Yoon等报道的二烯基叠氮转化为吡咯的能量转移催化反应。苯基取代二烯基叠氮（化合物1）的激发三重态能量经计算为1.56 eV，适合从TTM-3PCz接受能量。在优化条件下（0.1 mol% TTM-3PCz，660 nm深红光），吡咯产物2仅1小时即以93%的产率获得。催化剂负载量从0.01 mol%增至0.1 mol%时产率提高，但负载量进一步增至优化条件的十倍和五十倍时产率反而下降，推测高浓度TTM-3PCz会阻碍红光穿透整个反应介质。对照实验确认催化剂和光照均为必需，空气中反应产率几乎不变，显示该反应具有空气耐受性。Stern–Volmer猝灭实验揭示底物1与TTM-3PCz之间的能量转移速率常数为6.6×10⁸ M^-1 s^-1，与典型氧猝灭速率常数（约10⁹ M^-1 s^-1）接近，但因底物浓度（89 mM）远高于空气饱和四氢呋喃中的氧浓度（约2 mM），DTEnT优先发生于TTM-3PCz与底物之间。底物拓展显示：带有芳基取代基（包括给电子基和吸电子基）的底物在1小时内以超过90%分离产率获得产物，脂肪族二烯基叠氮底物在较高催化剂负载量（1 mol%）和延长照射时间（6小时）下也可获得71%的良好产率。

**（5）光催化[2+2]环加成**

研究人员进一步研究了3-亚基氧化吲哚（3-ylideneoxindole）的分子间[2+2]环加成反应，该反应已知通过能量转移机制进行，但此前主要使用紫外光或蓝光照射。3-亚基氧化吲哚（化合物3）的三重态能量估算为1.77 eV，低于TTM-3PCz的D₁态能量（1.80 eV），支持TTM-3PCz驱动该反应的热力学可行性。在优化条件下（1 mol% TTM-3PCz，660 nm深红光），1小时照射即以72%产率获得环加成产物。与二烯基叠氮反应类似，催化剂负载量超过1 mol%时产率下降。将照射时间延长至6小时，产率略有提高；当反应规模放大至0.2 mmol起始物料时，6小时照射后获得81%的分离产率。对照实验确认催化剂和深红光均为必需，空气中反应产率未降低。催化剂稳定性测试显示，在[2+2]环化反应条件下照射1小时和6小时后，超过80%的TTM-3PCz被回收，表明催化剂在反应体系中具有良好的化学耐受性。

**（6）TTM-3PCz与亚甲基蓝的催化性能比较**

为突出双重态光催化剂在最小化激发态能量损失方面的优势，研究人员比较了TTM-3PCz与商业可得的红光光催化剂亚甲基蓝（methylene blue, MB）的性能。亚甲基蓝在红光区有强吸收，其S₁态能量与TTM-3PCz的D₁态能量相近（约1.9 eV），但S₁态寿命短，经高效系间窜越到达低能长寿命的T₁态（1.5 eV），后者作为能量转移催化的活性态。亚甲基蓝的T₁能量（1.5 eV）足以敏化单线态氧（E(S₁)=0.97 eV），因此在1,5-DHN氧化反应中，空气中亚甲基蓝产率高于TTM-3PCz，而纯氧条件下两者产率相当。然而，亚甲基蓝的T₁能量接近二烯基叠氮环化（E(T₁)=1.56 eV）的能量阈值，且不足以促进[2+2]环加成（E(T₁)=1.77 eV）。实验结果与此一致：亚甲基蓝催化二烯基叠氮环化的产率低于TTM-3PCz，而[2+2]环加成反应完全无法进行。这些结果证明DTEnT使TTM-3PCz能够直接从其双重激发态参与能量转移，避免了系间窜越的能量损失，从而在更低光子能量照射下实现高效光催化。

**（7）光催化偶氮苯Z→E异构化**

研究人员还探索了TTM-3PCz催化偶氮苯的Z→E异构化。偶氮苯通常以反式（E）构型存在，比顺式（Z）构型稳定12 kcal mol^-1。在紫外光（320–365 nm）照射下，E-形式异构化为亚稳态的Z-形式，而Z→E的回复过程可通过加热或可见光（约450 nm）直接激发加速。近年来将偶氮苯Z→E异构化激发波长红移的研究具有良好的生物应用前景。研究人员在脱气甲苯中制备了含30 μM偶氮苯和3 μM TTM-3PCz的混合溶液。E-偶氮苯在310–320 nm处显示强π–π*吸收，在420–440 nm处显示弱n–π*吸收。经340 nm LED照射10–30分钟后，E-偶氮苯转化为Z-形式，其特征吸收带位于280 nm（π–π*）和440 nm（n–π*）。在TTM-3PCz存在下，用660 nm红光照射30分钟内，Z-形式转化回E-偶氮苯。经六轮340 nm和660 nm交替照射循环，偶氮苯表现出可逆异构化，表明光催化剂在高能紫外照射下也能保持稳定。

**五、总结与结论**

研究人员证明稳定的有机自由基TTM-3PCz可作为红光吸收的能量转移光催化剂。通过利用TTM-3PCz的双重态特性，实现了自旋允许的双重态-三重态能量转移，从而绕过了闭壳层光催化剂通常需要的系间窜越能量损失。这使得多种能量转移光催化反应能够从高能紫外/蓝光激发转向低能红光激发。该发现为稳定有机自由基开辟了新途径，将其应用从OLED和自旋电子学拓展至光催化领域。TTM-3PCz不含稀有金属、合成前体廉价、可在环境气氛下有效进行光催化，这些优势使其适用于多种反应体系且操作简便。据研究人员所知，该研究是首个直接利用稳定有机自由基的双重态特性通过DTEnT实现红光光催化化学转化的例子。展望未来，由于低能光具有增强的穿透能力，该策略为有机自由基光催化剂的体内生物医学应用和实际放大应用铺平了道路。