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Redox-Switchable Halogen Bonding in Haloanthracene Mediators Enables Efficient Electrocatalytic C–N Coupling

化学 分子内力 氧化还原 反应性(心理学) 卤键 电子转移 密度泛函理论 计算化学 催化作用 卤素 化学物理 光化学 组合化学 非共价相互作用 基质(水族馆) 阳离子聚合 偶联反应 电解 共价键 反应速率常数 催化循环 分子 化学键 光催化 反应机理
作者
Atsuki Hirama,Kayo Suda,Shohei Yoshinaga,Moto Kikuchi,Su-Gi Chong,Azusa Kikuchi,Yusuke Ishigaki,Daisuke Yokogawa,Mahito Atobe,Naoki Shida
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (6): 6249-6257
标识
DOI:10.1021/jacs.5c18175
摘要

We report the development of redox mediators based on 9-halo-10-arylanthracenes that engage in halogen bonding only upon one-electron oxidation. This redox-switchable interaction enables an effective substrate preorganization and promotes intramolecular C-N bond formation via electrocatalysis. Systematic evaluation of halogenated mediators (1a-1c) across various N-protected 2-aminobiphenyl substrates revealed that the iodoanthracene derivative 1a exhibited superior catalytic performance. Building on this, we synthesized a series of 10-aryl-substituted iodoanthracenes (1d-1h) to further optimize the mediator structure. Kinetic analysis by foot-of-the-wave analysis identified 1h, bearing a 3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl group, as a highly active mediator with an apparent rate constant over an order of magnitude higher than that of its counterparts. Bulk electrolysis experiments confirmed its remarkable performance, achieving high yields in short reaction times. Computational studies demonstrated that halogen bonding is markedly strengthened in the radical cation state, and that this interaction significantly enhances the acidity of the N-H bond in the substrates, enabling proton-coupled electron transfer (PCET) even with a weak base. Energy diagrams constructed from density functional theory calculations supported a mechanism in which the mediator not only facilitates PCET but also stabilizes cationic intermediates throughout the catalytic cycle. This work establishes a new design paradigm for redox mediators, where redox-induced noncovalent interactions can be harnessed to control both reactivity and selectivity. The concept of halogen-bonding-assisted PCET provides a powerful platform for advancing molecular electrocatalysis.
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