光氧化还原催化利用光子作为无痕、可持续的试剂，可在相对温和的条件下驱动对于传统方法颇具挑战性的化学反应，已成为化学家手中强有力的工具。在各种光氧化还原策略中，配体-金属电荷转移（LMCT）过程已被用于将惰性底物转化为反应性中间体。LMCT过程涉及电子密度向金属中心的转移，因此通常只有处于高价氧化态的亲电金属才会参与LMCT光化学。如图1所示，在LMCT激发下多种配位金属离子（如：Cu(II)、Co(III)、Fe(III)、Ni(III)、V(V)、Ce(IV)）经光化学产生开壳中间体，包括由M-Cl、-N3、-OR、-COR和-烷基键均裂产生的氯、叠氮基、烷氧基、酰基和烷基自由基。此外，M-CO2R键光解时会诱导生成的羧基自由基脱羧，从而产生烷基或芳基自由基。Ag(I)，已经算是强氧化剂了（ E ° = 0.799 V vs NHE），不过具有 d 9电子构型的Ag(II)，凭借其4d亚层中的空穴显然氧化性更强（ E ° = 1.980 V vs NHE）。倘若能通过可见光激发LMCT填充此空穴，那么就可以将Ag(II)金属中心作为有效的光氧化剂来活化其他方式难以活化的底物。另一方面，三氟乙酸盐（TFA）是药物分子中三氟甲基的理想来源，不仅成本低、年产量高，而且可以赋予药物分子显著增强的药代动力学性质。然而，TFA脱羧所需的氧化电位较高（>2.2 V vs SCE），因此先前的TFA脱羧方法通常需要苛刻的反应条件。化学家设法通过外源反应物（如：吡啶N-氧化物、亚砜、高价碘试剂）预活化TFA或三氟乙酸酐，有效地将TFA的氧化还原电位降低到传统光催化剂的范围内。
近日，美国 哈佛大学 的 Daniel G. Nocera 教授课题组报道了 [Ag(bpy)2][OTf]2和[Ag(bpy)n(O2CCF3)m][OTf]2-m配合物的合成、分离和结构表征，并且这些Ag(II)-TFA配合物在 λ exc > 400 nm光照下会迅速脱羧产生三氟甲基自由基，可与各种芳烃进行反应构建C(sp2)-CF3键。 该方法还可以拓展至其它长链全氟烷基羧酸盐（如：CF2CF3CO2-、CF2CF2CF3CO2-），进一步展现出该方法的通用性。重要的是， 在光照过程中通过电化学转化再生Ag(II)配合物 ，即光激发Ag(II)-TFA LMCT态后将Ag(I)光产物电化学再氧化为Ag(II)光反应剂，上述光氧化还原反应即可变为光电催化反应，成功实现了 (杂)芳烃的光电催化全氟烷基化反应 ，周转数（TON）>20。相关成果发表在 Science 上。
图1. 分子化合物的 LMCT 化学。图片来源： Science
首先，作者将AgO添加到bpy的三氟甲磺酸溶液中并得到深红色溶液，用水沉淀后得到红色微晶粉末[Ag(bpy)2][OTf]2（ 1 [OTf]2），接着将其溶解在乙腈中并进行苯蒸汽扩散便可形成深红色晶体，X-射线衍射分析显示Ag(II)存在于四方畸变的bpy配体场中（图2A）。此外， 1 [OTf]2在额外当量bpy的存在下与1 equiv双(三苯基磷)亚胺三氟乙酸盐（[PPN][TFA]）进行反应以48%的产率得到固体[Ag(bpy)2(O2CCF3)][OTf]（ 2 [OTf]），晶体结构分析显示Ag(II)存在于扭曲的三角双锥配体场中（图2B），其中TFA基本上通过 κ 1配位模式结合，并且TFA配体中C21-O1和C21-O2键距离的相对相似性表明羧酸根上的负电荷离域。当 1 [OTf]2在CpCl2中用过量[PPN][TFA]处理时便可以59%的产率获得橙色固体Ag(bpy)(O2CCF3)2（ 3 ），其中Ag(II)以中性正方形平面配位（图2C）。另外， 3 在晶格中堆积成对称等效的二聚体，形成具有弱顶端Ag…O相互作用的金刚石核状结构。如图2D所示，作者还合成了亲电性较低的[Cu(bpy)2(TFA)][PF6]（ 4 [PF6]），尽管其固体结构类似于 2 [OTf]，但是在CD3CN中用 λ exc=370 nm的光激发 4 [PF6]时却没有观察到任何变化，进而证实了Ag(II)在通过LMCT激发介导的TFA脱羧中具有重要性。
图2. Ag(II)配合物和Cu(II)同系物的晶体结构。图片来源： Science
随后，作者探索了 2 [OTf]和 3 的LMCT光化学，结果显示 2 [OTf]在MeCN中于21.3°C进行光解（ λ exc=450 nm）时会导致所有可见光吸收特征在30 min内完全消失（图3A），而 3 在700 nm处表现出吸收（图3B），但在持续照射后消失，并且可见光区域吸收带的消失和初始轴向EPR信号的消失与Ag(II)中心光还原形成 d 10 Ag(I)相一致。值得一提的是，化合物 2 [OTf]在过量TFA的作用下会转化为 3 ，而 3 在过量bpy的作用下也会转化为 2 [OTf]，因此作者认为 2 [OTf]和 3 之间建立了初始平衡，从而解释了700 nm处出现的吸收峰。此外，Ag(I) bpy配合物的1H NMR信号在光解的时间进程中出现。 3 在光解后，1H NMR和UV-vis光谱观察到三角平面Ag(I)(bpy)(TFA) 配合物的完全转化。伴随着Ag(I)的形成，光诱导Ag(II)-TFA键断裂并形成TFA自由基（TFA•），再脱羧释放CO2和CF3•。如图3C所示， 2 [OTf]的光反应量子产率会随着波长的增加而降低，同时确定了LMCT发生在~350 nm处。
图3. Ag(II) 配合物的LMCT光化学。图片来源： Science
接下来，作者通过稳态瞬态振动光谱来观察TFA•脱羧。如图4A所示， 3 中TFA配体和CF3的伸缩振动在光解后消失，但是CO2振动特征却增强（2341 cm-1）。 2 [OTf]的光解溶液也观察到类似的脱羧过程。图4C显示了激光照射 3 的时间分辨红外（TRIR）光谱，结果显示在纳秒时间尺度上观察到漂白信号，这可能是由于不对称羧基和CF3伸缩振动的消失以及CO2振动特征的增强所致。另外，作者还通过19F NMR光谱确定TFA•脱羧为CF3•，例如： 2 [OTf]光解产生CF3•，再在无底物的情况下与bpy配体进行反应并生成CF3衍生的bpy。
图4. 3 光解溶液的稳态和时间分辨红外光谱。图片来源： Science
另一方面，CF3•易与芳烃反应形成C(sp2)-CF3键，例如：在过量苯（75 equiv）的存在下光解 2 [OTf]会形成三氟甲苯（PhCF3，36%）以及TFA和三氟乙酸酐（TFAH）的混合物（52%）。每当量 2 [OTf]生成约半当量PhCF3，这表明CF3•与苯进行自由基加成得到的芳烃自由基被第二当量的Ag(II)氧化，同时TFA作为碱以提供PhCF3和TFAH（图5）。此外，全氟烷基化反应的进行无需分离 2 [OTf]/ 3 ， 1 [OTf]2配合物能够原位结合 RF CO2-，从而进入LMCT光化学。在此基础上，作者提出了可能的反应机理（图5）：首先， 1 [OTf]2配合物与 RF CO2-结合形成 2 [OTf]，在LMCT激发下脱羧并得到Ag(I)配合物和 RF •， RF •接着与芳烃进行自由基加成并得到芳烃自由基，其被第二当量的Ag(II)氧化为相应产物；而Ag(I)配合物在电化学的作用下被氧化为相应的Ag(II)配合物。
图5. 光/电化学反应机理。图片来源： Science
在最优条件下，作者对底物范围进行了考察（图6），结果显示多种芳烃以及杂芳烃（如：2,6-二甲基吡啶、1-甲基吡唑）均能兼容该反应，以中等至良好的产率获得相应的三氟甲基化产物，同时无机碱（K2HPO4）的使用也不会影响反应产率。有趣的是，在照射前用O2预处理反应混合物便可实现三氟甲氧基化，正如在O2存在下获得三氟甲氧基苯所证明的。其次，为了证明该方法的实用性，作者还尝试安装全氟烷基基团，这在药物化学中具有重要价值。为此，作者制备了Ag(bpy)(O2CCF2CF3)2（ 5 ）和Ag(bpy)(O2CCF2CF2CF3)2（ 6 ），单晶衍射证实两者的结构类似于 3 （图2E、2F）；同时将五氟丙酸钠盐和七氟丁酸钠盐与 1 [OTf]2的混合物进行照射便可实现苯的全氟烷基化。另一方面，在光照过程中还可以通过电化学再生 1 [OTf]，在2.5 mol% 1 [OTf]2、0.5 equiv bpy、1 equiv苯、10 equiv Na(TFA)的三电极电解池中施加1.3 V vs Fc+/Fc电压并进行光照（ λ exc=440nm），便可以实现苯的三氟甲基化（TON=21.2），同时还观察到双三氟甲基苯产物（产率：11%），但是没有观察到三氟乙酸苯酯（PhO2CCF3）副产物，进一步展现出这种光电催化的温和性，同时与TRIR测量结果（即短寿命的TFA自由基会在与芳烃底物反应之前脱羧）相一致。类似地，作者还将该方法拓展至其它芳烃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）。
图6. 底物扩展。图片来源： Science
总结
Daniel G. Nocera教授课题组报道了[Ag(bpy)2][OTf]2和[Ag(bpy)n(O2CCF3)m][OTf]2-m配合物的合成、分离和表征，并且这些Ag(II)-TFA配合物在 λ exc>400 nm的光照下会迅速脱羧以产生三氟甲基自由基，与各种芳烃进行反应便可构建C(sp2)-CF3键。该方法还可以拓展至其它长链全氟烷基羧酸盐，此外，还可通过在光照过程中通过电化学氧化反应再生Ag(II)配合物，可以实现芳烃的光电催化全氟烷基化反应。这些成果为银配合物在光电催化反应中的应用提供了新的思路。
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
