在金属卤化物钙钛矿微晶处拦截光生氨基自由基以实现与非预活化底物的C─N键构建

《Small Science》：Intercepting Photogenerated Aminyl Radicals at Metal-Halide Perovskite Microcrystals to Forge C─N Bonds With Non-Preactivated Substrates

　　

可见光驱动的非预活化底物C─N键构建仍是氧化合成领域的核心挑战，尤其在需要对氮中心自由基（NCR）中间体进行选择性控制时。本研究表明，铅卤钙钛矿微晶可通过在半导体界面控制互补自由基物种，在室温空气条件下介导芳香杂环胺的交叉脱氢C─N偶联。吩噁嗪（POZ）可高效发生氧化二聚，而结构近似的吩噻嗪（PTZ）和9,9-二甲基-9,10-二氢吖啶（DMAC）尽管具有相似的氧化电位，却呈现出显著不同的反应活性。电化学、光谱学及自由基捕获实验联合揭示，高效的C─N键形成与催化剂-底物界面处自由基阳离子和中性氨基自由基的协同生成相关。控制气氛下的紫外-可见（UV-vis）监测确立了氧气对维持互补自由基群体的必要性，而自旋非限制密度泛函理论（DFT）计算则识别出底物依赖的自旋局域化以及不同的N─H活化能垒作为偶联效率的关键因素。对光生氨基自由基的拦截使得与萘酚及萘胺衍生物的异交叉脱氢偶联得以实现。这些发现阐明了半导体表面C─N键形成的机理原则，并将金属卤化物钙钛矿定位为温和条件下N中心自由基化学的可调谐、可循环平台。

本研究发表于《Small Science》，旨在开发直接、选择性的芳基C─N键构建方法。芳基C─N键在药物、农用化学品及功能材料中具有广泛存在性，当前主流方法如Buchwald-Hartwig偶联、Ullmann反应及Chan-Lam反应等虽具有高选择性，但通常需要预功能化 partners（芳基卤化物或芳基硼试剂）。无定向芳香胺化通过C(sp²)─H/N─H交叉脱氢偶联（CDC）可避免芳烃预功能化，但其关键局限在于胺类底物常需预活化或预氧化才能实现反应活性。N中心自由基作为氧化C─N键形成的有利中间体，其传统生成条件苛刻（如150°C高温），后续虽发展了铜催化剂、有机光催化剂、化学计量氧化剂及电化学方案，但仍存在过度使用氧化剂、均相催化剂难以回收循环利用、电化学方案需牺牲性支持电解质等问题。无机铅卤钙钛矿（ notably CsPbBr₃）因其适中的带隙（≈2.3 eV）、高吸光度及相对较长的载流子寿命，已成为高效可见光光催化剂，但其用于选择性C─N键形成的系统研究尚属空白。

研究人员以CsPbBr₃粉末作为多相可回收光催化剂，以POZ和PTZ等含氮物种为底物，在空气和蓝光照射、室温条件下探索C─N键构建，并开展了全面的机理解析与底物拓展研究。研究得出以下核心结论：POZ可高效发生氧化二聚形成C─N键，而结构近似的PTZ、DMAC及咔唑（CBZ）则呈现显著不同的反应活性；成功的C─N键形成需要氨基自由基（aminyl radical）与氨基阳离子自由基（aminium radical cation）两种互补自由基物种的协同存在；氧气对于维持互补自由基群体、防止电荷复合至关重要；底物电子结构导致的自旋与电荷局域化差异，以及N─H解离能垒的不同，是决定偶联效率的关键因素；通过拦截光生氨基自由基，可实现与萘酚、萘胺等中性芳香底物的选择性异交叉脱氢偶联。该研究将金属卤化物钙钛矿定位为温和条件下可控N中心自由基化学的创新平台，为半导体表面光氧化还原C─N偶联反应的设计提供了机理指导。

研究采用的关键技术方法包括：以CsPbBr₃微晶作为多相光催化剂，通过筛选不同极性溶剂（包括1,2-二氯乙烷、甲苯、乙酸乙酯、环戊基甲基醚、2-甲基四氢呋喃、环己烷及乙腈等）优化反应条件；运用循环伏安法（CV）测定半导体及底物的氧化还原电位；采用控制气氛（空气与氮气）下的时间分辨紫外-可见吸收光谱监测反应中间体的生成与演化；利用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）及1,4-苯醌（BQ）作为自由基捕获剂和超氧化物清除剂进行机理探测；结合1D和2D多核核磁共振（NMR）波谱学对产物结构进行解析；运用自旋非限制DFT计算分析自由基中间体的自旋密度分布及N─H解离反应路径；通过扩散反射光谱（DRS）验证底物吸附及催化剂稳定性。

**反应条件优化与底物反应性差异。** 研究人员以POZ为模型底物，系统考察了溶剂极性、光源波长、催化剂有无及气氛等因素对反应的影响。结果表明，在乙腈（MeCN）中可获得最高气相色谱（GC）收率（40.1%，分离收率35.1%），极性非质子溶剂有利于稳定关键带电及自由基中间体；切换为绿光LED虽保持高转化率（94.6%），但收率显著下降（16.7%），表明有效产物形成具有波长依赖性；无催化剂或无光照条件下均无产物生成，证实了反应的光催化本质及催化剂与光的不可或缺性。通过对比筛选发现，铅基钙钛矿的催化活性具有结构特异性：铋基类似物Cs₃Bi₂Br₉和Cs₂AgBiBr₆在相同条件下基本无活性，说明催化剂表面对决定光生中间体命运具有决定性作用。以结构近似的芳香杂环胺拓展底物时发现，仅POZ可发生有效二聚，PTZ和DMAC仅检测到痕量二聚产物，CBZ则完全无反应，这种显著的反应性差异成为后续机理研究的核心问题。

**多维度机理证据：实验与计算的综合解析。** 研究人员首先验证了反应的异相催化特性：过滤去除固体催化剂后的溶液无产物生成，表明催化活性归属固相；虽然检测到少量溴化铅（PbBr₄^2?）物种溶出，但其浓度在光照和搅拌下保持不变，表明与表面存在动态平衡，不干扰催化活性位点的暴露。黑暗条件下的表观高转化率（66.1%）归因于POZ在催化剂表面的强吸附，该吸附通过DRS得到证实，且被推断为光激发催化剂活化底物的关键步骤。氮气气氛完全抑制产物生成，证实了氧气作为光生电荷终端电子受体的必需性，从而形成超氧阴离子（O₂^•?）并关闭催化循环。

为阐明POZ独特反应性的根源，研究人员开展了系统的光谱学与电化学表征。CV测定显示，POZ和PTZ具有极其相近的氧化起始电位（分别为0.84和0.82 V vs. NHE），均低于CsPbBr₃的价带电位（1.11 V vs. NHE），而DMAC的氧化电位略高（1.03 V vs. NHE），CBZ则显著更高（1.46 V vs. NHE）而超出催化剂可及氧化窗口，与其实验无活性一致。然而，热力学可行性无法解释PTZ和DMAC的低反应性，提示动力学及中间体稳定性因素起关键作用。

控制气氛下的时间分辨UV-vis光谱提供了决定性证据。POZ在空气中光照后，于约380 nm和450 nm处出现特征吸收带，分别归属为氨基自由基（POZ?H^•）和氨基阳离子自由基（POZ^•+）；两种中间体随反应进行被消耗，与产物形成相耦合。氮气气氛下仅观察到380 nm处的氨基自由基信号，且30分钟后衰减，无产物生成，表明缺乏互补自由基伙伴时氨基自由基发生分解。PTZ在空气中仅短暂出现两方面吸收特征后迅速衰减，光谱回归底物，表明其自由基快速进入失活或降解路径；氮气下虽选择性生成氨基自由基但不持久。DMAC在空气中间接观察到弱氨基阳离子自由基信号，氮气下无氨基自由基信号，推断因其较高氧化电位导致空穴转移不利，且氨基阳离子自由基浓度低抑制了后续质子转移。CBZ因热力学限制完全不产生可检测中间体。这些结果确立了"互补自由基同时存在"的核心原则：仅当氨基自由基与氨基阳离子自由基协同生成时，C?N键形成才能高效进行。

自由基捕获实验进一步支持这一机制：TEMPO完全抑制产物生成，表明自由基路径的必要性；1,4-苯醌作为超氧化物清除剂仅适度降低收率（至32.2%），提示超氧化物起次要但非可忽略的作用。竞争性实验设计精巧：CBZ虽具类似亲核性，但其氧化电位超出催化剂窗口，与POZ共反应时无交叉偶联产物，仅得POZ均二聚体，排除了氨基阳离子自由基对中性芳香底物的亲电进攻机制；PTZ与POZ共反应时PTZ完全惰性；而DMAC与POZ共反应时高效生成异交叉偶联产物3（分离收率89%）。DMAC的选择性交叉偶联归因于其仅生成DMAC^•+中间体，与POZ衍生的互补自由基形成电子匹配，从而证明了有效C?N键形成需要精确的中间体电子互补性，而非单纯的氧化活化可及性。

**理论计算揭示电子结构控制因素。** 自旋非限制DFT计算比较了三种底物自由基中间体的自旋密度分布。中性氨基自由基（POZ?H^•、PTZ?H^•、DMAC?H^•）的自旋密度均大致离域于π骨架，氮原子贡献最大，理论上倾向于N?N键二聚，但实验未获得对称二聚体，推测因N?N键不稳定、易均裂回归母体自由基。关键差异体现在自由基阳离子的自旋分布：POZ^•+的自旋密度相对POZ?H^•更紧凑但仍主要离域于杂原子及选定芳碳；PTZ^•+的自旋密度集中于氮、硫等杂原子，碳中心自旋密度 modest；DMAC^•+则因缺乏杂原子，自旋密度主要位于芳环C3位。这种差异解释了DMAC^•+在交叉偶联中的区域选择性。POZ^•+/POZ?H^•（及理想的DMAC^•+/DMAC?H^•）的互补性源于正电荷离域增加了高自旋密度芳碳的亲电性，而PTZ^•+与PTZ?H^•的杂原子中心特征破坏了这种平衡，促进失活路径。

N?H键解离的两条可能路径（超氧化物辅助和表面介导）的自由能计算显示一致趋势：超氧化物辅助路径中，POZ^•+、PTZ^•+、DMAC^•+的能垒分别为17.98、21.60、37.32 kcal/mol；PbBr₄^2?表面介导路径中，分别为34.06、48.40、43.29 kcal/mol。POZ中氧的较高电负性促进了质子转移，而PTZ和DMAC的较低酸性不利于相同路径演化。这些计算支持POZ与PTZ/DMAC反应性差异源于其自由基阳离子的不同电子结构及向中性自由基演化的能量壁垒。

**氨基自由基拦截与异交叉偶联拓展。** 基于上述机理认识，研究人员探索了光生氨基自由基的拦截策略，以β-萘酚为模型伙伴。在优化条件下，POZ与β-萘酚的交叉偶联产物4a以81%分离收率获得，POZ均二聚仅痕量；PTZ作为氨基自由基前体时可得产物4b（44%收率），与其较低倾向生成氨基自由基一致；DMAC因无氨基自由基生成而完全无效。电化学和光谱研究表明β-萘酚的直接光氧化在热力学上不可行，且未观察到其衍生自由基中间体光谱证据，支持均裂芳香取代（HAS）机制：氨基自由基加成至萘酚环生成共振稳定的环己二烯基自由基，经去氢和重新芳构化得C?N偶联产物。催化剂循环利用实验表明，CsPbBr₃微晶至少可重复使用五次，收率仅从81%微降至78%，DRS证实催化剂结构完整性保持。底物拓展显示，1-萘酚和1-萘胺可与POZ或PTZ发生异交叉脱氢偶联，POZ衍生产物收率更高（75%和72%）；而缺乏延伸共轭的更简单芳香底物如p-甲酚、p-甲苯胺效果差，无杂原子取代的萘本身无效，凸显了杂原子对稳定环己二烯基自由基中间体、降低临时去芳构化能垒的关键作用，以及延伸π体系对容纳HAS路径暂时去芳构化的重要性。

**讨论与结论。** 本研究的讨论部分围绕机理原则的普适性与系统局限性展开。研究人员强调，半导体表面互补自由基群体的控制是实现选择性C?N偶联的核心，而底物电子结构的细微差异通过自旋/电荷局域化和N?H解离能垒动力学地决定了反应走向。POZ的独特反应性归因于其自由基阳离子的电荷离域特性与氨基自由基的自旋离域特性的最佳匹配，而PTZ的杂原子中心自旋分布及DMAC的高解离能垒分别导致失活和动力学阻碍。

研究结论部分指出，CsPbBr₃微晶能够在室温空气条件下实现芳香杂环胺的光诱导C?N键形成，其成功依赖于互补自由基伙伴的协同生成与电子匹配。氧气对维持稳态自由基群体必不可少，而DFT计算阐明的自旋-电荷分布及N?H解离能垒为设计原则提供了理论基础。异交叉偶联的实现拓展了合成应用范围，同时研究也坦陈了当前体系的内在局限：仅对能在CsPbBr₃可及氧化窗口内生成互补自由基中间体的底物有效；电子不匹配的杂环虽可氧化但无法演化至有效C?N键形成；中性芳香伙伴需具备足够的环己二烯基自由基稳定能力以竞争均二聚路径。研究展望指出，未来可通过调控钙钛矿组成和表面化学扩展底物范围，并将概念转化至环境友好型半导体平台，从而为温和光氧化还原条件下的交叉脱氢偶联反应设计开辟新机遇。