催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (7): 1805-1811.DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64101-9
Yanfei Zhanga,b, Hong Wanga,b, Yan Liua, Can Lia,*()
摘要:
溴化反应是一类很重要的有机反应. 有机溴化物广泛存在于自然界, 并广泛应用于医药、农药、染料、香料阻燃剂等化工行业, 其在药物合成中有着尤其重要的意义. 有机溴化物还被广泛用于形成碳‒碳键和碳‒杂键的有机反应, 如Suzuki-Miyaura, Sonogashira, Heck, Stille和Buchwald-Hartwig等交叉偶联反应. 传统的有机溴化物合成方法不符合绿色合成的要求, 存在原子经济性低、不环保等问题. 作为一种高效、绿色、有前景的有机合成手段, 光催化已成功用于各种有机反应, 如氧化反应、还原反应以及C‒X (C, O, N, S)键的形成. 与具有毒性、腐蚀性和危险性的分子溴(Br2)和昂贵的N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)相比, 无毒且价格低廉的溴化氢(HBr)可作为相对理想的“绿色”溴源参与溴化反应. 需要说明的是, HBr中的Br‒必须被活化为活性物质才能参与溴化反应. 本工作选择HBr为溴源, 创建了一个以有机-无机杂化钙钛矿材料为光催化剂的光催化溴化体系, 在可见光照射下, 反应可获得高价值的芳香溴化物, 并同时获得氢气.
本课题组前期工作(ACS Energy Lett., 2019, 4, 40-47)发现, 可见光吸收性能强的有机-无机杂化钙钛矿甲基胺溴化铅(MAPbBr3)可以在HBr中稳定存在, 并在可见光照射下分解HBr产生H2. 本文以MAPbBr3为光催化剂, HBr为溴源, 完成了芳香化合物的溴化反应, 同时保留了产生H2的优势. 在MAPbBr3饱和的HBr水溶液中, MAPbBr3的沉淀物及在HBr饱和溶液中的溶解物之间形成了溶解-析出动态平衡, MAPbBr3处于稳定状态. 助催化剂0.75 wt%Pt/Ta2O5和导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)分别作为电子和空穴传输通道存在, 有效促进了光生电子和空穴的分离, 增强了光催化反应的活性. N,N-二甲基甲酰胺(DMF)有效提高了有机底物在反应体系中的溶解性, 而且不会破坏体系的稳定性, 可以进一步提升反应的活性. 与DMF结构类似的有机物同样可以提高反应活性, 其中N,N-二异丁基甲酰胺效果最好. 机理研究表明, 此溴化反应是通过亲电取代的方式进行的, 反应生成的Br2会与水反应生成活性溴化物种HOBr, HOBr可能是关键的溴化中间体. 这种温和且高效的溴化路径, 反应的转化率和选择性均高达99%, 可以完成芳香有机物的溴化, 还可以用于结构复杂的天然物质和药物的后期功能化.