Metal–Organic Framework-Based Efficient Singlet Heterogeneous Photoredox Catalyst for Aerobic C–H Functionalization

光催化 表面改性 催化作用 单线态氧 光化学 化学 金属有机骨架 光催化 多相催化 金属 组合化学 有机化学 物理化学 吸附 氧气
作者
Sreehari Surendran Rajasree,Bapan Saha,Gordon Kelly,Elizabeth J. P. Phillips,Karan Maindan,Alice Li,Tim Slusarczyk,Pravas Deria
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:: 3515-3524
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c00011
摘要

Effective light harvesting is critical in bioinspired heterogeneous photocatalysts to transport the absorbed light energy, compensating for diffusion-limited surface-only activity that is commonly achieved in solid systems constructed by simply anchoring a well-established photosensitizer (PS). While 3PS* has been widely exploited for their persistence, 1PS* defines a fresh paradigm for artificial photosystems specifically for aerobic photoredox processes where the 1O2*-mediated oxidative path must be avoided. Endowed with a large chemically accessible surface area hosting ultrafast anisotropic singlet exciton transportation, three mesoporous Zr-MOFs, PCN-222(H2), NU-1000, and SIU-100, displayed superior catalytic activities (t0.5 ∼3 h and a TOF of 106 h–1 at t0.5) toward the aerobic aza-Henry reaction of N-aryl-tetrahydroquinone compared to common 3PS* benchmarks. Furthermore, with higher excited state redox potentials, 1MOF* can be flexible in the initial photoproduct [amine•+ and O2•–] formation through an oxidative or a reductive quenching pathway expanding the scope of the amine substrates. While a slow H-atom transfer process in the dark step entails a moderate apparent quantum yield of ∼20%, a discernible rate difference was established to be defined by the driving force for the initial photoinduced electron transfer processes, which, in turn, are regulated by the electronic properties of the MOF relative to the amine substrates. Nevertheless, it is the electronic property of the amine that dictates the product identity and distribution. With detailed mechanistic studies and wider substrate scopes, this study underscores the advantageous platform for developing effective1MOF*-based heterogeneous photoredox catalysts.
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