光氧化還原催化利用光子作為無痕、永續的試劑，可在相對溫和的條件下驅動對於傳統方法頗具挑戰性的化學反應，已成為化學家手中強有力的工具。在各種光氧化還原策略中，配體-金屬電荷轉移（LMCT）過程已被用於將惰性受質轉化為反應性中間體。LMCT過程涉及電子密度向金屬中心的轉移，因此通常只有處於高價氧化態的親電金屬才會參與LMCT光化學。如圖1所示，在LMCT激發下多種配位金屬離子（如：Cu(II)、Co(III)、Fe(III)、Ni(III)、V(V)、Ce(IV)）經光化學產生開殼中間體，包括由M-Cl、-N3、-OR、-COR和-烷基鍵均裂產生的氯、疊氮基、烷氧基、酰基和烷基自由基。此外，M-CO2R鍵光解時會誘導生成的羧基自由基脫羧，從而產生烷基或芳基自由基。Ag(I)，已經算是強氧化劑了（ E ° = 0.799 V vs NHE），不過具有 d 9電子構型的Ag(II)，憑借其4d亞層中的電洞顯然氧化性更強（ E ° = 1.980 V vs NHE）。倘若能透過可見光激發LMCT填充此電洞，那麽就可以將Ag(II)金屬中心作為有效的光氧化劑來活化其他方式難以活化的受質。另一方面，三氟乙酸鹽（TFA）是藥物分子中三氟甲基的理想來源，不僅成本低、年產量高，而且可以賦予藥物分子顯著增強的藥代動力學性質。然而，TFA脫羧所需的氧化電位較高（>2.2 V vs SCE），因此先前的TFA脫羧方法通常需要苛刻的反應條件。化學家設法透過外源反應物（如：吡啶N-氧化物、亞碸、高價碘試劑）預活化TFA或三氟乙酸酐，有效地將TFA的氧化還原電位降低到傳統光催化劑的範圍內。
近日，美國 哈佛大學 的 Daniel G. Nocera 教授課題組報道了 [Ag(bpy)2][OTf]2和[Ag(bpy)n(O2CCF3)m][OTf]2-m配合物的合成、分離和結構表征，並且這些Ag(II)-TFA配合物在 λ exc > 400 nm光照下會迅速脫羧產生三氟甲基自由基，可與各種芳烴進行反應構建C(sp2)-CF3鍵。 該方法還可以拓展至其它長鏈全氟烷基羧酸鹽（如：CF2CF3CO2-、CF2CF2CF3CO2-），進一步展現出該方法的通用性。重要的是， 在光照過程中透過電化學轉化再生Ag(II)配合物 ，即光激發Ag(II)-TFA LMCT態後將Ag(I)光產物電化學再氧化為Ag(II)光反應劑，上述光氧化還原反應即可變為光電催化反應，成功實作了 (雜)芳烴的光電催化全氟烷基化反應 ，周轉數（TON）>20。相關成果發表在 Science 上。
圖1. 分子化合物的 LMCT 化學。圖片來源： Science
首先，作者將AgO添加到bpy的三氟甲磺酸溶液中並得到深紅色溶液，用水沈澱後得到紅色微晶粉末[Ag(bpy)2][OTf]2（ 1 [OTf]2），接著將其溶解在乙腈中並進行苯蒸汽擴散便可形成深紅色晶體，X-射線繞射分析顯示Ag(II)存在於四方畸變的bpy配體場中（圖2A）。此外， 1 [OTf]2在額外當量bpy的存在下與1 equiv雙(三苯基磷)亞胺三氟乙酸鹽（[PPN][TFA]）進行反應以48%的產率得到固體[Ag(bpy)2(O2CCF3)][OTf]（ 2 [OTf]），晶體結構分析顯示Ag(II)存在於扭曲的三角雙錐配體場中（圖2B），其中TFA基本上透過 κ 1配位模式結合，並且TFA配體中C21-O1和C21-O2鍵距離的相對相似性表明羧酸根上的負電荷離域。當 1 [OTf]2在CpCl2中用過量[PPN][TFA]處理時便可以59%的產率獲得橙色固體Ag(bpy)(O2CCF3)2（ 3 ），其中Ag(II)以中性正方形平面配位（圖2C）。另外， 3 在晶格中堆積成對稱等效的二聚體，形成具有弱頂端Ag…O交互作用的金剛石核狀結構。如圖2D所示，作者還合成了親電性較低的[Cu(bpy)2(TFA)][PF6]（ 4 [PF6]），盡管其固體結構類似於 2 [OTf]，但是在CD3CN中用 λ exc=370 nm的光激發 4 [PF6]時卻沒有觀察到任何變化，進而證實了Ag(II)在透過LMCT激發介導的TFA脫羧中具有重要性。
圖2. Ag(II)配合物和Cu(II)同系物的晶體結構。圖片來源： Science
隨後，作者探索了 2 [OTf]和 3 的LMCT光化學，結果顯示 2 [OTf]在MeCN中於21.3°C進行光解（ λ exc=450 nm）時會導致所有可見光吸收特征在30 min內完全消失（圖3A），而 3 在700 nm處表現出吸收（圖3B），但在持續照射後消失，並且可見光區域吸收帶的消失和初始軸向EPR訊號的消失與Ag(II)中心光還原形成 d 10 Ag(I)相一致。值得一提的是，化合物 2 [OTf]在過量TFA的作用下會轉化為 3 ，而 3 在過量bpy的作用下也會轉化為 2 [OTf]，因此作者認為 2 [OTf]和 3 之間建立了初始平衡，從而解釋了700 nm處出現的吸收峰。此外，Ag(I) bpy配合物的1H NMR訊號在光解的時間行程中出現。 3 在光解後，1H NMR和UV-vis光譜觀察到三角平面Ag(I)(bpy)(TFA) 配合物的完全轉化。伴隨著Ag(I)的形成，光誘導Ag(II)-TFA鍵斷裂並形成TFA自由基（TFA•），再脫羧釋放CO2和CF3•。如圖3C所示， 2 [OTf]的光反應量子產率會隨著波長的增加而降低，同時確定了LMCT發生在~350 nm處。
圖3. Ag(II) 配合物的LMCT光化學。圖片來源： Science
接下來，作者透過穩態瞬態振動光譜來觀察TFA•脫羧。如圖4A所示， 3 中TFA配體和CF3的伸縮振動在光解後消失，但是CO2振動特征卻增強（2341 cm-1）。 2 [OTf]的光解溶液也觀察到類似的脫羧過程。圖4C顯示了雷射照射 3 的時間分辨紅外（TRIR）光譜，結果顯示在納秒時間尺度上觀察到漂白訊號，這可能是由於不對稱羧基和CF3伸縮振動的消失以及CO2振動特征的增強所致。另外，作者還透過19F NMR光譜確定TFA•脫羧為CF3•，例如： 2 [OTf]光解產生CF3•，再在無受質的情況下與bpy配體進行反應並生成CF3衍生的bpy。
圖4. 3 光解溶液的穩態和時間分辨紅外光譜。圖片來源： Science
另一方面，CF3•易與芳烴反應形成C(sp2)-CF3鍵，例如：在過量苯（75 equiv）的存在下光解 2 [OTf]會形成三氟甲苯（PhCF3，36%）以及TFA和三氟乙酸酐（TFAH）的混合物（52%）。每當量 2 [OTf]生成約半當量PhCF3，這表明CF3•與苯進行自由基加成得到的芳烴自由基被第二當量的Ag(II)氧化，同時TFA作為堿以提供PhCF3和TFAH（圖5）。此外，全氟烷基化反應的進行無需分離 2 [OTf]/ 3 ， 1 [OTf]2配合物能夠原位結合 RF CO2-，從而進入LMCT光化學。在此基礎上，作者提出了可能的反應機理（圖5）：首先， 1 [OTf]2配合物與 RF CO2-結合形成 2 [OTf]，在LMCT激發下脫羧並得到Ag(I)配合物和 RF •， RF •接著與芳烴進行自由基加成並得到芳烴自由基，其被第二當量的Ag(II)氧化為相應產物；而Ag(I)配合物在電化學的作用下被氧化為相應的Ag(II)配合物。
圖5. 光/電化學反應機理。圖片來源： Science
在最優條件下，作者對受質範圍進行了考察（圖6），結果顯示多種芳烴以及雜芳烴（如：2,6-二甲基吡啶、1-甲基吡唑）均能相容該反應，以中等至良好的產率獲得相應的三氟甲基化產物，同時無機堿（K2HPO4）的使用也不會影響反應產率。有趣的是，在照射前用O2預處理反應混合物便可實作三氟甲氧基化，正如在O2存在下獲得三氟甲氧基苯所證明的。其次，為了證明該方法的實用性，作者還嘗試安裝全氟烷基基團，這在藥物化學中具有重要價值。為此，作者制備了Ag(bpy)(O2CCF2CF3)2（ 5 ）和Ag(bpy)(O2CCF2CF2CF3)2（ 6 ），單晶繞射證實兩者的結構類似於 3 （圖2E、2F）；同時將五氟丙酸鈉鹽和七氟丁酸鈉鹽與 1 [OTf]2的混合物進行照射便可實作苯的全氟烷基化。另一方面，在光照過程中還可以透過電化學再生 1 [OTf]，在2.5 mol% 1 [OTf]2、0.5 equiv bpy、1 equiv苯、10 equiv Na(TFA)的三電極電解池中施加1.3 V vs Fc+/Fc電壓並進行光照（ λ exc=440nm），便可以實作苯的三氟甲基化（TON=21.2），同時還觀察到雙三氟甲基苯產物（產率：11%），但是沒有觀察到三氟乙酸苯酯（PhO2CCF3）副產物，進一步展現出這種光電催化的溫和性，同時與TRIR測量結果（即短壽命的TFA自由基會在與芳烴受質反應之前脫羧）相一致。類似地，作者還將該方法拓展至其它芳烴的三氟甲基化以及苯的五氟乙基化（TON = 27.2）和七氟丙基化（TON = 20.8）。
圖6. 受質擴充套件。圖片來源： Science
總結
Daniel G. Nocera教授課題組報道了[Ag(bpy)2][OTf]2和[Ag(bpy)n(O2CCF3)m][OTf]2-m配合物的合成、分離和表征，並且這些Ag(II)-TFA配合物在 λ exc>400 nm的光照下會迅速脫羧以產生三氟甲基自由基，與各種芳烴進行反應便可構建C(sp2)-CF3鍵。該方法還可以拓展至其它長鏈全氟烷基羧酸鹽，此外，還可透過在光照過程中透過電化學氧化反應再生Ag(II)配合物，可以實作芳烴的光電催化全氟烷基化反應。這些成果為銀配合物在光電催化反應中的套用提供了新的思路。
Electrophotocatalytic perfluoroalkylation by LMCT excitation of Ag(II) perfluoroalkyl carboxylates
Brandon M. Campbell, Jesse B. Gordon, Elaine Reichert Raguram, Miguel I. Gonzalez, Kristopher G. Reynolds, Matthew Nava, Daniel G. Nocera
Science , 2023 , DOI: 10.1126/science.adk4919
