Catalytic C–H Trifluoromethylation of Arenes and Heteroarenes via Visible Light Photoexcitation of a Co(III)–CF3 Complex

化学 三氟甲基化 均分解 光化学 催化循环 配体(生物化学) 光催化 发色团 催化作用 试剂 氧化还原 激进的 光催化 有机化学 三氟甲基 生物化学 烷基 受体
作者
Christopher S. Kuehner,Andrew G. Hill,Caleb F. Harris,Christian A. Owens,John Bacsa,Jake D. Soper
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:13 (20): 13607-13617 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c03832
摘要

A cobalt photocatalyst for direct trifluoromethylation of (hetero)arene C(sp2)-H bonds is described and shown to operate via visible light activation of a Co-CF3 intermediate, which functions as a combined chromophore and organometallic reaction center. Chemical oxidations of previously reported (OCO)Co complexes containing a redox-active [OCO] pincer ligand afford a Co-CF3 complex two oxidation states above Co(II). Computational and spectroscopic studies are consistent with formulation of the product as [(OCO•)CoIII(CF3)(THF)(OTf)] (II) containing an open-shell [OCO•]1- radical ligand bound to a S = 0 Co(III) center. II is thermodynamically stable, but exposure to blue (440 nm) light induces Co-CF3 bond homolysis and release of •CF3, which is trapped by radical acceptors including TEMPO•, (hetero)arenes, or the radical [OCO•] ligand in II. The latter comprises a competitive degradation pathway, which is overcome under catalytic conditions by using excess substrate. Accordingly, generation of II from the reaction of [(OCO)CoIIL] (III) (L = THF, MeCN) with Umemoto's dibenzothiophenium trifluoromethylating reagent (1) followed by photolytic Co-CF3 bond activation completes a photoredox catalytic cycle for C-H (hetero)arene trifluoromethylation utilizing visible light. Electronic structure and photophysical studies, including time-dependent density functional theory (TDDFT) calculations, suggest that Co-CF3 bond homolysis at II occurs via an ligand-to-metal charge-transfer (LMCT) (OCO0)CoII(CF3) state, revealing ligand redox activity as a critical design feature and establishing design principles for the use of base metal chromophores for selectivity in photoredox bond activations occurring via free radical intermediates.
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