以色列理工/大連理工/深圳理工/慕尼黑工大合作ACS Catal.：Corrole光催化藥物脫羧氟化反應(yīng)

導(dǎo)讀

利用可見光驅(qū)動脂肪族羧酸脫羧氟化制備sp3 C-F鍵是有機(jī)合成及現(xiàn)代制藥的關(guān)鍵技術(shù)，然而傳統(tǒng)反應(yīng)體系高度依賴于昂貴且有毒的釕/銥重金屬配合物或高載量需求的有機(jī)染料。針對上述問題，來自大連理工大學(xué)、以色列理工學(xué)院、深圳理工大學(xué)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究者通過優(yōu)化咔咯的主族元素（P, Sb）配位化合物，實(shí)現(xiàn)羧酸藥物分子的光催化氧化脫羧氟化反應(yīng)。受益于主族大環(huán)長達(dá)數(shù)百微秒（μs）的超長激發(fā)態(tài)壽命，其催化周轉(zhuǎn)頻率（TOF）比傳統(tǒng)催化劑三聯(lián)吡啶釕[Ru(bpy)3]2+高出100倍。此外，該體系展現(xiàn)出極其優(yōu)異的吸光性能，在溫和的黃光照射下，能高效實(shí)現(xiàn)水體中常見非甾體抗炎藥（如布洛芬、萘普生等）的脫羧氟化改性，在制藥和綠色環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

正文

可見光氧化還原催化是現(xiàn)代有機(jī)合成中最具活力的工具之一。然而，當(dāng)前這一領(lǐng)域長期被昂貴、稀有且具有潛在毒性的過渡重金屬（如釕、銥的多吡啶配合物）所壟斷。雖然純有機(jī)光催化劑作為替代物備受矚目，但它們往往受制于激發(fā)態(tài)壽命較短，在面對一些高能壘轉(zhuǎn)化時需要高達(dá)數(shù)日的光照和大量的催化劑負(fù)載。

咔咯（Corroles）作為一類獨(dú)特的N4大環(huán)配體，由于其配位空腔較小，能夠有效抑制激發(fā)的非輻射能量損失，并賦予金屬配合物極高化學(xué)和水解穩(wěn)定性。此前，主族元素螯合的金屬咔咯已被證實(shí)能發(fā)生高效的系間竄躍（ISC），產(chǎn)生壽命極長的三線態(tài)激發(fā)態(tài)，已被應(yīng)用于光動力療法（PDT）和光氧化等依賴氧氣猝滅的領(lǐng)域。將其開發(fā)為有機(jī)合成中的可見光氧化還原催化劑，一直是一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)而極具價值的工作。

圖1：金屬 corroles 的激發(fā)態(tài)過程、氧化還原電位及壽命，以及與 Ru(bpy)?2? 的對比

研究團(tuán)隊(duì)對一系列中心螯合不同元素（P、Sb、Ga等，圖1）以及帶有不同軸向配體的5,10,15-三（五氟苯基）咔咯配合物（M-TPFC-Ln）進(jìn)行了基態(tài)和激發(fā)態(tài)光電化學(xué)性質(zhì)的梳理與微調(diào)。其中，二氟化磷咔咯（1，P-TPFC-F2）展示出了極佳的基態(tài)氧化電位（+1.16 V vs SCE）和高達(dá)312 μs的三線態(tài)壽命；而銻(III)咔咯（2）則在反應(yīng)原位展現(xiàn)出奇特的光誘導(dǎo)價態(tài)轉(zhuǎn)變（圖2）。

圖2：咔咯銻與 Selectfluor 生成活性物種 3，其晶體結(jié)構(gòu)、光譜、壽命和催化產(chǎn)率對比

在標(biāo)準(zhǔn)催化測試中，Sb-TPFC（分子2）表現(xiàn)出了與較低初始氧化電位不符的79%高效氟化收率。團(tuán)隊(duì)通過光譜跟蹤捕捉到了反應(yīng)物Selectfluor與化合物2自發(fā)反應(yīng)引起的變色現(xiàn)象（由綠變粉）。隨后成功分理出該原位生成的關(guān)鍵物種，經(jīng)過1?F/1H NMR以及單晶X射線衍射，明確證實(shí)其為定量轉(zhuǎn)化的銻(V)高價中間體Sb-TPFC-(OH)(F)（分子3）。該高價態(tài)中間體3由于Sb(V)中心的強(qiáng)拉電子效應(yīng)，電位躍升至+1.24 V，且瞬態(tài)吸收光譜測得其三線態(tài)壽命長達(dá)216 μs，從根本上解釋了銻咔咯體系的催化機(jī)制。

圖3：P- 和 Sb-corrole 催化下多種脂肪羧酸的脫羧氟化底物拓展及產(chǎn)率結(jié)果

圖4：黃光 (565 nm) 下催化劑 1 對三種常見消炎藥（布洛芬等）的脫羧氟化降解應(yīng)用

利用優(yōu)化后的磷咔咯（1）和原位形成的銻咔咯中間體（3），研究團(tuán)隊(duì)對多達(dá)13種脂肪族羧酸展開了底物拓展（圖3）。結(jié)果顯示，絕大多數(shù)脂肪族羧酸原料均能高產(chǎn)率地轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的氟代產(chǎn)物（產(chǎn)率高達(dá)92%）。另外，面對當(dāng)前全球水體系統(tǒng)（河流、自來水等）中面臨的前100種高毒性藥物污染物——非甾體抗炎藥布洛芬、萘普生、酮洛芬，團(tuán)隊(duì)采用更加溫和無害且穿透性極佳的黃光LED（565nm）進(jìn)行驅(qū)動，在僅1 mol%的極低咔咯負(fù)載下，分別實(shí)現(xiàn)了65%、90%和82%的高效脫羧氟化（圖4）。氟化后分子的親水性大幅改變，極為便于從污染水體中低成本濾除。

圖5：催化循環(huán)機(jī)理（SET 途徑）、電化學(xué)光譜驗(yàn)證以及 Selectfluor 對激發(fā)態(tài)的動態(tài)淬滅

為了厘清詳細(xì)的電荷轉(zhuǎn)移步驟，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了熒光猝滅動力學(xué)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，激發(fā)態(tài)的主族咔咯極易被Selectfluor高效氧化猝滅（猝滅速率常數(shù)達(dá) 1.2*107M-1s-1），而羧酸根底物基本不發(fā)生直接猝滅（圖5）。由此確立了由Selectfluor氧化引發(fā)的主反應(yīng)循環(huán)路徑（Pathway b，Main Cycle）：主族金屬咔咯在可見光激發(fā)的長壽命三線態(tài)下，優(yōu)先將電子單向傳遞給Selectfluor得到3的陽離子自由基中間體，然后憑借極高的電位奪取脂肪族羧酸根電子，脫羧產(chǎn)生烷基自由基，最終實(shí)現(xiàn)高效的單電子自由基轉(zhuǎn)化的完全催化循環(huán)。

總結(jié)

本研究通過展示主族元素咔咯配合物的光物理及氧化還原可調(diào)性，成功打破了重金屬配合物和傳統(tǒng)有機(jī)染料在可見光氧化還原領(lǐng)域的局限性 。其具備的超長三線態(tài)激發(fā)態(tài)壽命、高催化轉(zhuǎn)化頻率（TOF）以及極低負(fù)載量，為有機(jī)合成及功能分子的綠色綠色催化開辟了全新的大環(huán)分子平臺 。

文獻(xiàn)詳情

Corroles: From Triplet Photosensitizers to Photoredox catalysts

Qiu-Cheng Chen, Junhong Chen, Kaiyue Ye, Natalia FridmanAtif Mahammed, Jianzhang Zhao*, Zeev Gross*

ACS Catal. 2026,

https://doi.org/10.1021/acscatal.6c01973

作者簡介

陳秋成副教授 - 深圳理工大學(xué)、以色列理工學(xué)院

https://msee.suat-sz.edu.cn/info/1010/1264.htm

Junhong Chen - 以色列理工學(xué)院、慕尼黑工業(yè)大學(xué)

趙建章教授，葉凱悅 - 大連理工大學(xué)

Zeev Gross教授, Natalia Fridman, Atif Mahammed - 以色列理工學(xué)院

課題組招聘

陳秋成，博士生導(dǎo)師，2025年加入深圳理工大學(xué)材料科學(xué)與能源工程學(xué)院任特聘副教授，致力于有機(jī)物的電催化轉(zhuǎn)化研究。課題組經(jīng)費(fèi)充裕、已配備完整的有機(jī)電合成與光催化所需的一流設(shè)備。

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