光电催化，最新Science！

电化学为增值精细化学品提供了一种可持续的合成途径，但通常受到电极之间的竞争性电子转移和与目标位点不同的氧化还原敏感官能团的限制。三氟甲基（CF₃）基团是许多药品和农用化学品的基本特征，但通常必须使用昂贵的试剂进行掺入。

在此，浙江大学莫一鸣研究员和宣军博士等人描述了一种离子屏蔽非均相光电催化策略，以施加传质限制，从而颠倒热力学确定的电子转移顺序。具体来说，该策略可以使用三氟乙酸使敏感的（杂）脱羧三氟甲基化，其中三氟乙酸是一种廉价但相对惰性的三氟甲基（CF₃）来源。由三氟乙酸阴离子静电吸附在正极掺钼的三氧化钨（WO₃）光阳极上，防止基低和光生空穴之间不需要的电子转移。结果显示，所开发的方法具有强大的光阳极稳定性（约380小时）、良好的基底范围和缩放能力，且可通过使用光电化学流通池实现100克合成，证明了所开发方法的实用性。

相关文章以“Scalable decarboxylative trifluoromethylation by ion-shielding heterogeneous photoelectrocatalysis”为题发表在Science上。

【内容详解】

控制多个电子供体和受体之间的电子转移方向是控制氧化还原反应中化学选择性的基本任务。特别是在最近开发的合成光化学和电化学方案中，光催化剂或电极与底物之间氧化还原电位的精确对齐构成了化学选择性转化的基础（图 1A）。然而，为了在存在更容易还原或氧化化的官能团的情况下实现与热力学上不太受欢迎的目标的直接电子转移，通常寻求替代机制来规避这种热力学障碍，例如氢原子转移、配体到金属电荷转移 和质子耦合电子转移。尽管这些机制取得了进步，但与其他途径相比，直接电子转移仍然因其固有的简单性而具有吸引力，无需额外的介质或预官能团化。然而，除了匹配的氧化还原电位之外，缺乏其他化学选择性控制杠杆，这限制了其更广泛的适用性。

通过在非均相电子转移表面上引入屏蔽层（图1B），对热力学上更有利的反应施加传质限制是克服类似化学选择性挑战的新兴策略。因此，可以抑制不需要的析氢反应（HER），同时提高对CO₂的法拉第效率。作者设想，这种屏蔽策略虽然很少在复杂的分子合成中应用，但可以帮助引导直接电子转移中的化学选择性。

图1. 研究背景。

作者使用三氟乙酸（TFA）作为三氟甲基（CF₃）源代表了直接电子转移中这种选择性挑战的一个突出例子。反式脂肪酸被认为是一种很有前途的CF₃可用性的来源，它可以进行单电子转移（SET）氧化以产生CF₃自由基与CO₂作为唯一的副产物。然而，这种看似高效的脱羧途径受到CF₃过度氧化电位的阻碍。因此，直接电子转移途径需要极其恶劣的条件，例如强氧化剂，高电解电位和紫外线辐射，即使对于带有吸电子基团的难以氧化的底物，也具有中低反应性能。

替代CF₃试剂如CF₃I，Togni试剂和Umemoto试剂开发促进三氟甲基化温和条件下，但他们往往非常昂贵或产生大量浪费，从而限制了大规模合成的实际实现。本文首先试图建立一个非均匀电子表面，可以驱动CF₃COO^–的直接SET氧化。同时，基于半导体的多相光电催化是一种被广泛研究用于太阳能驱动水分裂和废水修复的技术，在温和条件下产生高氧化光激发孔的能力似乎是一种理想的选择。结果显示，带负电荷的CF₃COO^–可以通过静电吸引在正光阳极非均匀表面富集，自然形成离子屏蔽层。吸附的CF₃COO^–可以限制更容易氧化的衬底在光阳极表面的传质，从而阻止它们与光阳极的电子转移（图1D）。为了验证这种提出的离子屏蔽多相光电催化（IonShiell-hPEC）策略，作者选择了（杂）脱羧三氟甲基作为本研究的目标转化。

图2. 反应进展与机理研究。

图3：光阳极的效率和稳定性的优化。

图4：IonShiell-hPEC三氟甲基化的衬底范围选择。

图5：光电化学三氟甲基化的放大制备。

为了进一步提高该技术的合成，作者将6个反应器并行化成一个模块化的工艺过程（图5E），总电极面积为378 cm²。在此装置上演示了DNA碱基模拟物的合成。为了便于试剂溶液处理，6个单独批次依次通过反应器进行光电解，平均光电流为~400 mA，每批反应时间为12至~18小时（图5F）。作者预测所证明的IonShiell-hPEC脱羧三氟甲基化将激发非均匀光电化学的进一步发展，以获得在极端氧化电位下的选择性电子转移。

Yixin Chen†, Yuchen He†, Yong Gao†, Jiakun Xue, Wei Qu, Jun Xuan*, Yiming Mo*, Scalable decarboxylative trifluoromethylation by ion-shielding heterogeneous photoelectrocatalysis. (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm8902