有机光催化剂4CzIPN的前世今生

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最近十年的合成方法学领域,有机光化学研究可称得上是最活跃的研究方向之一,范围从紫外光到可见光,从金属光催化剂到有机光催化剂,各种各样新的反应层出不穷。图1和图2分别展示了最为常见的金属和有机光催化剂以及本文的主角4CzIPN(1416881-52-1)。最近,宾夕法尼亚大学Gary A. Molander课题组将有机光催化剂4CzIPN应用到DNA编码的化合物库的合成[1],将该领域的研究推向了一个新的高度。

有机光催化剂4CzIPN的前世今生  第1张

图1. 常见的有机和金属光催化剂。图片来源:Chem. Rev. [2]


有机光催化剂4CzIPN的前世今生  第2张

图2. 4CzIPN和它的“兄弟姐妹”。图片来源:Nature [3]


我们先来看看4CzIPN是怎么发现。2012年日本九州大学Chihaya Adachi课题组合成了一系列咔唑取代的二氰基苯衍生物 [3],并将它们作为热活化延迟荧光(Thermally activated delayed fluorescence, TADF)材料掺杂到有机电致发光器件中,内量子效率达到了100%,4CzIPN就是其中的一员(图2)。


四年之后,内布拉斯加大学林肯分校的Jian Zhang课题组慧眼识珠,将4CzIPN作为有机光氧化还原催化剂,与过渡金属催化协作进行C(sp3)–C(sp2)交叉偶联反应 [4],这为4CzIPN的应用打开了新领域。他们一共合成了六种包括4CzIPN在内的二氰基苯衍生物,并将它们和金属光催化剂Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6的氧化还原电势进行了比较(图3)。

有机光催化剂4CzIPN的前世今生  第3张

图3. 4CzIPN与Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)+氧化还原电势的比较。图片来源:ACS Catal. [4]


随后,这些二氰基苯衍生物用于羧酸脱羧和卤代芳基苯的双催化中(图4),在此之前还没有关于有机光催化剂/Ni双催化体系的报道。另外,他们还发现了一种比较有意思的现象,这六种有机光催化剂的氧化还原电势大多都能满足光催化循环的要求,尤其是2CzTPN与Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6的氧化还原电势最为接近,但是当2CzTPN作为光催化剂时,几乎没有目标产物的生成。作者分析,这可能是由于其结构在光照条件下不够稳定。这也说明,氧化还原电势只是光催化循环得以进行的一个“充分非必要”条件。

有机光催化剂4CzIPN的前世今生  第4张

图4. 4CzIPN在双催化中的应用及其机理。图片来源:ACS Catal. [4]


4CzIPN作为光催化剂被Jian Zhang课题组报道之后,由于它具有与金属光催化剂Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6接近的氧化还原电势,因此常常作为其替代物,广泛应用于4CzIPN/Ni双催化体系中。


我们再回到文章开头提到的4CzIPN在合成DNA编码化合物库中的新应用。DNA编码化合物库是制药工业常用的技术,可快速高通量地鉴定对生物分子靶标具有亲和力的化合物。

有机光催化剂4CzIPN的前世今生  第5张

图5. DNA编码化合物库的合成(A)与使用(B)流程示意图。图片来源:J. Am. Chem. Soc. [1]


印象中大多数光催化剂/Ni双催化体系都需要无水无氧的反应条件,而Gary A. Molander课题组却在DMSO/H2O作为溶剂时,将4CzIPN/Ni双催化体系应用于短链DNA的修饰,并且反应不需要惰性气体的保护[1](图6)。

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图6. 4CzIPN在DNA编码化合物库合成中的应用。图片来源:J. Am. Chem. Soc. [1]


和普通的反应相比,将有机反应应用于DNA修饰还面临着许多的挑战,比如,DNA一般都是高稀溶液,因此反应必须在极稀的浓度下进行,通常是1 mmol/L浓度,而传统的有机光反应通常是在100 mmol/L的浓度;另外,必须以≥ 20%的水作为共溶剂,条件温和(pH 4-14, 25-90 °C),反应量级大概为25 nmol;最后就是要求对DNA的修饰位点具有很高的特异性。传统的烷基化反应通常依赖与阴离子或金属有机化合物(比如格氏试剂、烷基锂或烷基锌),而这些反应条件都是和水溶液中的DNA修饰反应相悖。


已有文献报道成功实现了可见光条件下对生物小分子(多肽和辅酶A)的修饰,进一步增加了作者将光催化剂/Ni双催化体系应用于合成DNA编码化合物库的信心。考虑到DNA修饰过的底物在传统有机溶剂中易沉淀、溶解性很差,作者在这里以DMSO/H2O (80:20)作为溶剂,为了确保反应在短时间里能够完全进行,使用大大过量的烷基化试剂(250 equiv)和光催化剂(50 mol %,通常在光化学中催化剂量为1 mol %左右),底物浓度为1 mmol/L。

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图7. 微量反应装置以及反应前后对比图。图片来源:J. Am. Chem. Soc. [1]


在对体系中化合物的表征方面,由于都是一些结构复杂的生物分子,文中使用了UPLC/MS对底物、最终的产物以及收率进行分析。当以DNA修饰的芳基溴代物作为反应的底物,DHP 2a)作为烷基试剂时,作者对条件进行了筛选(图8),并且对反应结果进行了分析,发现在反应中会有两种副产物生成:脱溴产物和羟基取代的产物。当使用Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6代替4CzIPN时,反应没有产物生成(图8,entry 2),但是在使用α-氨基羧酸作为烷基试剂时,Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6/Ni的催化效率更高。

有机光催化剂4CzIPN的前世今生  第8张

图8. 4CzIPN/Ni双催化体系的应用。图片来源:J. Am. Chem. Soc. [1]


此外,作者还将这一方法运用到DNA修饰的三氟甲基端烯脱氟烷基化反应(图9),当烷基硅和DHP为烷基化试剂时,需使用4CzIPN/Ni作为催化体系;当α-氨基羧酸作为烷基化试剂时,Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6/Ni作为催化体系更优。

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图9. 4CzIPN/Ni双催化体系的更多应用。图片来源:J. Am. Chem. Soc. [1]


作者拓展了近150个例子,尽管只是进行了微量的反应,但在DNA编码化合物库的合成方面仍具有重大的意义。


科学发展到今天,学科交叉的重要性不言而喻,将光电材料4CzIPN用于光催化有机合成,以及将光催化剂4CzIPN用于DNA编码化合物库的合成,都是学科交叉的成果,也是科学研究未来发展的趋势。多了解一些看似不相干的领域,或许就能碰撞出新的灵感火花。


参考文献:

1. Open-Air Alkylation Reactions in Photoredox-Catalyzed DNA-Encoded Library Synthesis. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 3723–3732, DOI: 10.1021/jacs.9b00669


2. Dual Catalysis Strategies in Photochemical Synthesis. Chem. Rev., 2016, 116, 10035–10074, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00018


3. Highly efficient organic light-emitting diodes from delayed fluorescence. Nature, 2012, 492, 234–238, DOI: 10.1038/nature11687


4. Donor-Acceptor Fluorophores for Visible-Light-Promoted Organic Synthesis: Photoredox/Ni Dual Catalytic C(sp3)-C(sp2) Cross-Coupling. ACS Catal., 2016, 6, 873–877, DOI: 10.1021/acscatal.5b02204


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