A Toolbox Approach To Construct Broadly Applicable Metal-Free Catalysts for Photoredox Chemistry: Deliberate Tuning of Redox Potentials and Importance of Halogens in Donor–Acceptor Cyanoarenes

化学 催化作用 工具箱 卤素 氧化还原 光催化 组合化学 光化学 构造(python库) 无机化学 接受者 有机化学 光催化 物理 程序设计语言 计算机科学 烷基 凝聚态物理
作者
Elisabeth Speckmeier,Tillmann G. Fischer,Kirsten Zeitler
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (45): 15353-15365 被引量:783
标识
DOI:10.1021/jacs.8b08933
摘要

The targeted choice of specific photocatalysts has been shown to play a critical role for the successful realization of challenging photoredox catalytic transformations. Herein, we demonstrate the successful implementation of a rational design strategy for a series of deliberate structural manipulations of cyanoarene-based, purely organic donor-acceptor photocatalysts, using 1,2,3,5-tetrakis(carbazol-9-yl)-4,6-dicyanobenzene (4CzIPN) as a starting point. Systematic modifications of both the donor substituents as well as the acceptors' molecular core allowed us to identify strongly oxidizing as well as strongly reducing catalysts (e.g., for an unprecedented detriflation of unactivated naphthol triflate), which additionally offer remarkably balanced redox potentials with predictable trends. Especially halogen arene core substitutions are instrumental for our targeted alterations of the catalysts' redox properties. Based on their preeminent electrochemical and photophysical characteristics, all novel, purely organic photoredox catalysts were evaluated in three challenging, mechanistically distinct classes of benchmark reactions (either requiring balanced, highly oxidizing or strongly reducing properties) to demonstrate their enormous potential as customizable photocatalysts, that outperform and complement prevailing typical best photocatalysts.
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