Bifunctional Covalent Organic Frameworks Enable Ambient Photocatalytic Oxidation via Synergistic Ligand-to-Metal Charge Transfer and O 2 Activation

化学 双功能 亚胺离子 电荷(物理) 电子转移 共价键 堆积 激进的 光催化 光化学 等结构 键裂 组合化学 金属有机骨架 电子受体 转移加氢 有机催化 催化作用 均相催化 有机合成 光诱导电子转移 原子转移自由基聚合 酒精氧化 胺化 氢键 反应中间体 同种类的 接受者
作者
Zitong Wang,Zhibei Zhou,David Wang,Chenghua Deng,J Li,Wei Lin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (8): 8546-8553
标识
DOI:10.1021/jacs.5c19922
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) offer a powerful platform for photocatalysis, yet integrating multiple catalytic functions within a single structure remains challenging. Here, we report the synthesis of dual-functionalized COFs, FeP-Me(AA) and FeP-Me(AB), integrating photosensitizing iron-porphyrin motifs and redox-active iminium linkages, with AA and AB stacking modes controllable through distinct synthetic procedures. Under light irradiation, the COFs efficiently catalyze C-H and alcohol oxidations directly under air at room temperature, without requiring sacrificial reagents. FeP-Me(AA) exhibits superior activity compared to nonmethylated and nonmetalated COF analogues as well as homogeneous catalysts, underscoring the advantages of dual-site integration. Mechanistic studies reveal a bifunctional pathway: the iron-porphyrin units undergo ligand-to-metal charge transfer to generate reactive chlorine or hydroxyl radicals that mediate hydrogen atom transfer to generate carbon-centered radicals, while adjacent iminium linkages transfer electrons to reduce O2 to superoxide radicals. Coordination of these radicals to Fe(III)(TPP) forms an iron(III)-peroxide intermediate, which undergoes subsequent O-O bond cleavage to generate the ketone product. By uniting cooperative functions within a single framework, this work establishes a versatile blueprint for designing sustainable and synergistic photocatalysis with COFs.
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