可見光驅動過渡金屬及非金屬光氧化還原催化的進展

王亞

中國石化 北京化工研究院 北京 100013

光化學在歷史上是合成化學的重要組成部分。盡管紫外光對有機化合物的直接激發長期以來一直是合成光化學的主流[1]。但可見光驅動的光反應最近開始成為一種更安全、更友好的替代方法。光化學的復興依賴于光氧化催化劑的出現[2-4]。通常，光氧化催化劑吸收可見光并達到其激發狀態，其壽命通常為>100 ns。處于激發狀態的光催化劑充當單電子氧化劑或還原劑，其能夠在催化劑和有機基質之間傳遞一個電子。因此，光氧化催化劑適合于從穩定的有機分子中產生自由基，并為自由基介導的轉化的最新發展做出了貢獻[5，6]。

1 光催化劑概述

可見光驅動化學反應過程優點不僅在于可以提供一種可持續的合成分子的動力外，光化學還具有解鎖傳統熱途徑所無法實現的繁多反應類型的潛力。這是因為電子激發分子的化學反應性與基態分子的化學反應性根本不同。以往的工作已經檢驗了可見光驅動光催化優越的普遍性和潛力。它可以使小分子發生許多轉化，將可見光轉化為化學鍵能。盡管光化學合成有其固有的潛力，但它在很長一段時間內其實際應用有限，只有少數化學家掌握。

2 可見光驅動催化在方法學的若干進展

2.1 氟乙酰基的芳基化

與氟烷基化方案相比，氟乙酰化方法非常罕見。Skrydstrup和Zhang團隊獨立報告了最近的一項成功策略，該策略依賴于官能化二氟甲基鹵化物的羰基化Suzuki-Miyaura取代[7，8]。該反應通過C-Br鍵活化產生鈀-氟烷基中間體進行，隨后插入一氧化碳和碳-碳鍵還原消除。這種方法的主要挑戰是強金屬-氟烷基鍵難以發生一氧化碳的插入過程。此外，該方法通常用于合成α，α-二氟化1，3-二羰基化合物。

基于鈀催化的二氟乙酰胺與硼酸的交叉偶聯，該團隊開發了一種新的簡單的合成方法，以獲得不同取代的α，α-二氟酮。該團隊對反應機理進行了徹底的研究，以獲得對催化循環的清晰理解。第一步涉及二氟甲基酰胺的C-N鍵氧化加成，得到結構確定了的二氟酰基鈀中間體。然后，二氟酰基酰胺化鈀中間體被證明與硼酸快速進行無堿參與的轉金屬化，然后C-C鍵還原消除，選擇性地生成所需的二氟酮。該團隊還通過容易獲得的α-溴-α，α-二氟乙酰胺底物的正交C-Br和C-N鍵功能化，證明了該方案的合成潛力和互補性，這為合成有機氟化學領域帶來了新的機遇。

2.2 N-雜環卡賓（NHC）催化的烷基化

在過去的幾十年中，N-雜環卡賓（NHCs）被證明是一種強大的有機催化劑，可以通過Breslow中間體（均烯醇化物和二烯化物）將醛和烯醛進行極性翻轉，從而與強親電試劑（如具有sp2-碳中心的活性酮和亞胺）進行反應。然而，NHC催化的與弱親電試劑（如具有sp3-碳原子的烷基鹵化物）的反應對于C（sp3）-C（sp3）鍵的構建是極具挑戰性的。

最近，通過自由基過程的NHC催化反應由于其高活性而顯示出巨大的潛力，包括通過兩次連續的單電子氧化酯化醛、烯醛與氧自由基的β-羥基化、均烯醇化物及其自由基的均/交叉偶聯，以及同烯醇化物和烯醇化物自由基的交叉偶聯。孫建偉等人報道了用三氯甲基和三溴甲基自由基進行的NHC催化的γ-二鹵甲基化反應[9]。Nagao和Ohmiya等人報道了醛通過烷基自由基的脫羧烷基化反應。這些與特定氧或官能化碳中心自由基的NHC催化反應促使我們探索了與簡單烷基自由基形成的一般NHC催化的C（sp3）-C（sp3）鍵[10]。

2.3 直接脫羧N-烷基化（DDA）

Oleg V. Larionov教授和他的團隊最近研究了兩種新的吖啶光催化劑，用于通過吖啶-羧酸氫鍵絡合物中的光誘導質子耦合電子轉移（PCET）過程，直接促使可見光驅動多種羧酸脫羧以合成烷基自由基[24]。由于胺在合成、藥物發現和材料技術中的作用，豐富的原料化學品仍然是有機化學中一個重要的方向。該課題組研究人員提出了一種雙催化體系，通過將它們的預活化作為氧化還原活性酯傳遞，用于多種芳香族碳環和雜環胺直接與羧酸進行N-烷基化。

MacMillan項目組最近證明，羧酸可以作為偶聯基團，通過預活化羧酸衍生物的光催化脫羧作用誘導烷基自由基建立C（sp3）-N鍵，例如碘（III）羧酸鹽或氧化還原活性酯[11]。氧化還原活性酯脫羧生成烷基自由基是構建新的C-C和C-雜原子鍵可行的方法。關于此前構建的吖啶光催化劑，研究者通過對Cu（hfac）2催化的機理進行了實驗和計算研究。

2.4 C-O、C-N 和C-X 鍵的硼酰化

硼酸是非常重要的功能構建單元和合成前體。通過可見光誘導的硼酰化反應可獲得結構多樣的硼酸鹽。但尚沒有開發出對各種底物廣泛有效的光催化硼酰化方法，包括強C-O鍵[12]。盡管最近在基于過渡金屬催化、主族化學和光化學的硼酸合成方法方面取得了重大進展，各種挑戰依然存在。擴大有機硼的范圍、結構多樣性、官能團耐受性和催化劑可用性的努力仍然處于若干化學領域的前沿。

Oleg V. Larionov和他的團隊報道了一種通用的、無金屬可見光誘導的光催化硼化方案[13，14]。該方案能夠使酚類和苯胺類、氯代芳烴以及其他鹵代芳烴的富電子衍生物硼化。該反應表現出良好的官能團耐受性，如一系列結構復雜的底物的硼酰化。他們的研究表明，未取代的催化劑PTH1在以Cs2CO3作為堿的磷酸芳酯硼化反應中具有獨特的光催化活性。該方法的適用范圍和官能團耐受性在一些典型的碳環和雜環底物以及天然產物和醫藥相關化合物上得到了進一步證明。

3 結語

本文綜述了近年來可見光催化鈀、銅、鈷和非金屬（NHC、DDA、PTH）光氧化還原的實驗方法和機理的研究進展，并對這一新興領域的發展前景進行了展望。在過去幾年中，許多研究人員在可見光光催化反應的發展方面取得了重大進展。該領域的最新發現有力地表明，可見光光催化反應不僅是進行簡單有機轉化的實用方法，而且也適用于設計用于構建結構復雜的碳環和雜環物質的合成方案。