最近，印度理工學(xué)院孟買分校Debabrata Maiti組和IISER Mohali的Debashis Adhikari組，應(yīng)用新型強(qiáng)氧化性HATCN為光催化劑，實(shí)現(xiàn)芳基氟化物的光催化脫氟氨基化，可替代經(jīng)典S_NAr反應(yīng)。該S_NAr反應(yīng)所用大π離域芳香核光催化劑HATCN，在可見光激發(fā)下會(huì)得到多種穩(wěn)定氧化還原態(tài)，既能做氧化劑也能作還原劑，從而能在溫和電勢(shì)下實(shí)現(xiàn)連續(xù)還原。機(jī)理研究表明，反應(yīng)的催化循環(huán)經(jīng)歷了罕見的連續(xù)三光子激發(fā)（consecutive three photon involvement）。相關(guān)研究成果于2025年6月10日在線發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.5c04164）。

常用光催化劑：傳統(tǒng)光催化劑包含昂貴過(guò)渡金屬（例如銥），具有長(zhǎng)壽命三重態(tài)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)、光穩(wěn)定性和可調(diào)性質(zhì)，因而是光化學(xué)反應(yīng)優(yōu)選催化劑。但因?yàn)楹羞^(guò)渡金屬，無(wú)法滿足制藥行業(yè)所需的無(wú)金屬條件。有機(jī)染料分子也是常見的光催化劑，具有無(wú)金屬特征，且可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬電勢(shì)范圍和高效反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。但是，設(shè)計(jì)新的強(qiáng)效有機(jī)光催化劑，對(duì)光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)展仍然極具價(jià)值。

S_NAr反應(yīng)：傳統(tǒng)芳香親核取代反應(yīng)（S_NAr），可以得到高價(jià)值芳香烴，但通常需要使用強(qiáng)堿等條件，且局限于特定芳基氟化物。電光化學(xué)催化反應(yīng)和吖啶光催化反應(yīng)（Figure 1a），也可以實(shí)現(xiàn)S_NAr反應(yīng)，但不兼容點(diǎn)中性和缺電子芳基氟化物、雜芳基氟化物，具有官能團(tuán)耐受性差等缺點(diǎn)。因而需要發(fā)展出一種新型光催化劑參與的光催化S_NAr反應(yīng)，以解決這些問(wèn)題。

（Figure 1，圖片來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）

新光催化劑設(shè)計(jì)：如Figure 1b所示，將6個(gè)氰基引入平面剛性缺電子的芳烴HAT中（1,4,5,8,9,12-hexaazatriphenylene），增強(qiáng)芳烴缺電子性，得到新型光催化劑HATCN。HATCN在OLED和有機(jī)電子材料中應(yīng)用廣泛，作為光催化劑還尚未有案例報(bào)道。

反應(yīng)初始研究(Figures 1c-1e)：如Figures 1c所示，初步研究顯示，應(yīng)用HATCN作光催化劑，能以中等收率得到脫氟氨基化產(chǎn)物9和35，驗(yàn)證了反應(yīng)的可行性。Figures 1d和1e的研究表明，反應(yīng)對(duì)氟苯是二級(jí)反應(yīng)，HATCN存在多個(gè)氧化還原態(tài)。

條件篩選：通過(guò)SI中對(duì)光催化劑、光源、氧化劑、溶劑、反應(yīng)時(shí)間、試劑當(dāng)量等參數(shù)進(jìn)行的細(xì)致優(yōu)化，得出優(yōu)選反應(yīng)條件為：HATCN作光催化劑、過(guò)硫酸鉀作氧化劑、34W 440 nm blue LEDs作光源、三氟乙醇TFE作溶劑。

（Scheme 1，圖片來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）

底物拓展：如Scheme 1和2所示，反應(yīng)兼容各種芳基氟化物，包括電中性氟苯、帶各種基團(tuán)的單取代氟苯和雙取代氟苯、吡啶氟化物、嘧啶氟化物，和各種親核試劑，包括帶各種基團(tuán)的吡唑、三唑、氨基甲酰胺、脂肪胺。且對(duì)芳基雙氟化物（48、52、62），受基團(tuán)或氮原子影響，存在單氟取代選擇性。應(yīng)用氨基甲酰胺作胺源，可以得到芳基伯胺產(chǎn)物。反應(yīng)耐受底物上眾多敏感官能團(tuán)，包括酯基、磺酰氯、酰胺、無(wú)保護(hù)芐醇、芐氯、醛基、肟、氰基、甲基酮、三氟甲基、鹵素等?？傊斯饣瘜W(xué)S_NAr反應(yīng)，具有優(yōu)秀的底物普適性和官能團(tuán)耐受性。

（Scheme 2，圖片來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）

應(yīng)用研究：如Scheme 3所示，多種生物活性分子、天然產(chǎn)物、藥物衍生物，在此光化學(xué)S_NAr反應(yīng)條件下，都能實(shí)現(xiàn)脫氟氨基化，以可觀產(chǎn)率得到對(duì)應(yīng)產(chǎn)物82-91。

（Scheme 3，圖片來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）

可行性機(jī)理：通過(guò)Scheme 5和SI中的機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)，作者提出如Scheme 4所示可行性反應(yīng)機(jī)理：光催化劑HATCN，在第一次光子激發(fā)下生成激發(fā)態(tài)光催化劑HATCN*；HATCN*經(jīng)單電子轉(zhuǎn)移氧化第一個(gè)氟苯，生成自由基陰離子HATCN˙ˉ和氟苯自由基陽(yáng)離子中間體I；HATCN˙ˉ在第二次光子激發(fā)下生成激發(fā)態(tài)光HATCN˙ˉ*，再經(jīng)單電子轉(zhuǎn)移氧化第二個(gè)氟苯，生成陰離子HATCN2ˉ和氟苯自由基陽(yáng)離子中間體I；HATCN2ˉ在第三次光子激發(fā)下生成激發(fā)態(tài)HATCN2ˉ*； I則會(huì)被氮親核試劑原位進(jìn)攻，生成自由基中間體II；II被HATCN2ˉ*還原后得到產(chǎn)物，并再生HATCN˙ˉ；HATCN˙ˉ被氧化成HATCN，完成整個(gè)催化循環(huán)。

（Scheme 4，圖片來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）

機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)：為了研究反應(yīng)機(jī)理，作者開展了如Scheme 5所示相關(guān)機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)：1）Scheme 5a實(shí)驗(yàn)所得EPR譜圖和Scheme 5c的紫外可見光譜，證實(shí)反應(yīng)中生成雙陰離子HATCN2ˉ；2）Scheme 5b的紫外可見光譜，證實(shí)反應(yīng)中存在HATCN˙ˉ；3）Scheme 5e的熒光淬滅圖，證實(shí)在HATCN激發(fā)態(tài)下發(fā)生了單電子轉(zhuǎn)移；4）Scheme 5e的半強(qiáng)度光和全強(qiáng)度光對(duì)比圖，可發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)物收率存在三次方關(guān)系，這表明反應(yīng)需要三光子激發(fā)；5）Scheme 5f的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)HATCN激發(fā)態(tài)壽命只有3納秒；6）Scheme 5g控制實(shí)驗(yàn)，表明HATCN˙ˉ無(wú)力關(guān)閉催化循環(huán)，需要光照下被還原劑例如鈉或氟苯還原成HATCN2ˉ，才能關(guān)閉催化循環(huán)，光照是反應(yīng)必須的。

（Scheme 5，圖片來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）

應(yīng)用新型光催化劑HATCN，Debabrata Maiti等人報(bào)道了芳基氟化物參與的光催化脫氟氨基化S_NAr反應(yīng)。反應(yīng)兼容電中性、缺電子和雜環(huán)芳基氟化物，具有優(yōu)秀的官能團(tuán)耐受性。反應(yīng)中，中性和單陰離子HATCN作為氧化劑，但雙還原HATCN卻作為還原劑。作者期望這一涉及連續(xù)三光子激發(fā)的新機(jī)制，有助于解決具有挑戰(zhàn)性的光化學(xué)反應(yīng)。