Angew. Chem. ：Cl2•−介导惰性C(sp3)-H键直接和选择性转化为醛/酮

开发新的反应途径活化惰性C(sp³)-H键生产有价值的氧化产物（醛/酮）具有巨大挑战。•OH是C-H键裂解的常见引发剂，但其强氧化性和短寿命（约100 ns）使其难以同时提高催化效率和选择性。•OH（2.7eV vs NHE）具有将大多数卤素离子氧化为自由基（例如氯自由基Cl•和二氯自由基Cl₂•⁻）的能力。将•OH进一步转化为温和、长寿命的卤素自由基，将是一种有效且环保的活化C-H键的方法。

在各种卤素自由基中，氯自由基（Cl•）虽已被广泛应用，但总是受到低选择性和氯化副产物的困扰。与Cl•（寿命小于5μs，E(Cl•/Cl⁻)=2.5 eV vs NHE）相比，Cl₂•⁻（Cl⁻和Cl•快速结合得到）具有更长的寿命（几十微秒甚至毫秒）和更温和的氧化能力（E(Cl₂•⁻/2Cl⁻) = 2.2 eV vs NHE）。但是其通常来源于过硫酸盐的紫外线光解，目前仅限于降解水中的痕量污染物。

近日，中国石油大学（华东）的吴明铂教授、吴文婷教授和中山大学的杨欣教授合作构建了一种两相反应系统。制备的噻吩基三嗪聚合物在水相中实现了O₂→H₂O₂→•OH→Cl•→Cl₂•⁻的有效转化，Cl₂•⁻有效提升二氯代反应动力学速率近2000倍，打破了传统二氯代动力学限制；构建有机-水两相反应体系，寿命较长的Cl₂•⁻可以高效转移到有机相中，实现惰性C-H键选择性转化为醛/酮。

为了获得优异的表面积，在二氧化硅介孔分子筛（SBA-15）载体上制备了噻吩基三嗪聚合物CTP-S。CTP-S能够在纯水条件下产生H₂O₂并有效分解为•OH。

利用NaCl（氯源）水溶液和甲苯构建了两相反应体系。闪光光解证实了Cl₂•⁻的产生，并且其寿命随着甲苯浓度的增加而降低，表明了Cl₂•⁻可以活化甲苯C(sp³)-H键。一系列猝灭实验证实了Cl₂•⁻来源于活性氧转化（O₂→H₂O₂→•OH→Cl•→Cl₂•⁻）。酸性水溶液（HCl）进一步强化了Cl₂•⁻的生成，甲苯的转化率达到16.94 mmol/g/h，苯甲醛的选择性为99.5%。

同位素标记和DFT计算发现，寿命较长的Cl₂•⁻可以转移到有机相中并通过连续的夺氢和氯化活化C(sp³)-H键，形成不稳定的二氯化物中间体。此中间体比稳定的二氯化苄更容易水解成醛或酮，形成的醛或酮保留在有机相。其它自由基（如•OH、Cl•）的寿命较短，难以进入有机相，不易深度氧化苯甲醛，即使在长期反应中也能保持苯甲醛的高选择性，并具有良好的底物普适性。利用自由基的寿命及其与底物的反应速率不同，构建的有机-水两相体系有效阻止了副反应。

简言之，这项研究利用活性氧的深度转化实现了温和条件下Cl₂•⁻的生成，并成功将Cl₂•⁻应用于惰性C-H键选择性转化为醛/酮，具有十分重要的意义。

论文信息

Cl₂•⁻ Mediates Direct and Selective Conversion of Inert C(sp³)−H Bonds into Aldehydes/Ketones

Dr. Qinhua Zhang, Dr. Bo An, Dr. Yu Lei, Zhixiao Gao, Dr. Haonan Zhang, Prof. Sheng Xue, Prof. Xin Jin, Prof. Wengang Xu, Zihan Wu, Prof. Mingbo Wu, Prof. Xin Yang, Prof. Wenting Wu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202304699