摘要：

羰基-光氧化還原/雙金屬催化的有機(jī)轉(zhuǎn)化近年來(lái)備受關(guān)注。豐富且廉價(jià)的羰基光敏劑可有效地用作單電子、能量或氫原子轉(zhuǎn)移劑，以誘導(dǎo)金屬催化的烯烴交叉偶聯(lián)和雙官能化。本文綜述了2020年至2023年金屬催化劑參與的光催化偶聯(lián)反應(yīng)的文獻(xiàn)報(bào)道，重點(diǎn)是C-C (C(sp³)-C(sp³),C(sp³)-C(sp²),C(sp²)-C(sp²), C(sp²)-C(sp))和C-雜原子(C(sp³)-S,C(sp³)-N,C(sp²)-O, C(sp²)-S,C(sp²)-P, C(sp²)-B)的成鍵反應(yīng)。

Abstract:

Organic transformations using carbonyl-photoredox/metal dual catalysis have attracted much attention in recent years. Abundant and inexpensive carbonyl photosensitizers effectively serve as single electron, energy or hydrogen atom transfer agents to induce metal-catalyzed cross-coupling and dicarbofunctionalization of olefins. This review covers literature reports of metal-catalyzed photocatalytic coupling reactions from 2020 to mid-2023, with a focus on C-C (C(sp³)-C(sp³),C(sp³)-C(sp²),C(sp²)-C(sp²), C(sp²)-C(sp)) and C-heteroatom (C(sp³)-S,C(sp³)-N,C(sp²)-O, C(sp²)-S,C(sp²)-P, C(sp²)-B)bond forming reactions.

1.引言

近年來(lái)，由于MacMillan，Xiao，Molander及其同事等人的開創(chuàng)性研究，光氧化還原/過(guò)渡雙金屬催化已經(jīng)成為促進(jìn)C-C和C-雜原子成鍵的強(qiáng)效而又溫和的合成策略。這項(xiàng)工作的靈感來(lái)自釕基(Ru)和銥基(Ir)的光氧化還原催化反應(yīng)。然而，由于Ru和Ir價(jià)格昂貴，低成本，低毒性的有機(jī)染料的反應(yīng)范圍又比較局限。使得開發(fā)具有廣泛氧化還原能力且易于合成的廉價(jià)的有機(jī)光催化劑是非常有前景的。

芳香羰基光催化劑因其相對(duì)較低的成本、易于獲得和易于結(jié)構(gòu)操作而得到了廣泛的研究。在光照射下，由非鍵合軌道(n，π*)激發(fā)電子，然后進(jìn)行系間竄躍(ISC)產(chǎn)生長(zhǎng)壽命三重激發(fā)態(tài)羰基，以促進(jìn)氫原子轉(zhuǎn)移(HAT)，單電子轉(zhuǎn)移(SET)和能量轉(zhuǎn)移(EnT)(圖1)。因?yàn)轸驶杂苫哂休^高的鍵解離能(BDE)，并且羰基的激發(fā)態(tài)具有相對(duì)較高的氧化電位和三重態(tài)能，所以實(shí)現(xiàn)的可能性較大。

圖1 羰基的激發(fā)

本文綜述了2020年至2023年的文獻(xiàn)報(bào)道，詳細(xì)總結(jié)了羰基-光催化與過(guò)渡金屬催化在有機(jī)合成中的結(jié)合。按有機(jī)反應(yīng)類型排列，并詳細(xì)說(shuō)明每種方法的范圍、局限性和機(jī)理。

2.?；?/strong>

使用α-氧代羧酸或醛作為酰化資源，通過(guò)金屬催化活化C?H鍵實(shí)現(xiàn)芳烴的?；?，是形成芳基酮的一種有效合成方法。然而，這類反應(yīng)需要較高的溫度或過(guò)量的氧化劑。最近，在光照條件下通過(guò)光催化產(chǎn)生?；杂苫驯淮_定為芳烴?；玫椒蓟訙睾偷奶娲鷪D。

2.1.醛類?；噭?/p>

2020年，Zheng及其同事提出了一種Pd催化的醛C?H鍵直接芳基化和烯烴化方法，以蒽醌(AQ)為HAT光催化劑得到一系列酮(圖2)。其中，溴苯與多種烷基醛的交叉偶聯(lián)反應(yīng)收率良好。4-甲氧基苯甲醛是一種相容的底物，但收率較低。對(duì)于具有一系列官能團(tuán)(包括富電子基團(tuán)和缺電子基團(tuán))的芳基溴被容納在該系統(tǒng)中。其中，2-溴萘和雜芳族溴的收率令人滿意。此外，二萜藥物分子也提供了預(yù)期的?；a(chǎn)物，收率為62%。

圖2 直接醛C?H芳基化和烯基化通過(guò)合并AQ和鈀催化合成酮

密度泛函理論計(jì)算表明，該光催化反應(yīng)包括芳基鹵的氧化加成、捕集?；杂苫约癙d0催化劑和AQ再生還原消除。如圖3所示，AQ(AQ*)的激發(fā)態(tài)可以轉(zhuǎn)移甲?；鶜?，得到?；杂苫?2)和[AQ-H]*。Pd^II中間體(4)，由Pd⁰催化劑(3)與芳基鹵化物氧化加成，捕集2得到aPd^III物種(5)，然后還原消除，形成所需產(chǎn)物和PdI物種(6)。最后，KHCO₃從6和從[AQ- H]*得到一個(gè)質(zhì)子形成(3)和AQ，完成鈀催化循環(huán)和光催化循環(huán)。

圖3 提出了AQ與Pd催化融合直接醛C?H芳基化反應(yīng)的機(jī)理

隨后，Xia的小組報(bào)告了醛和芳烴偶聯(lián)的?；瘓D，涉及菲醌(PQ)和鈀催化的組合，使用氧化劑Ag₂O，在藍(lán)光LED照射下(圖4)。以2-苯基吡啶為反應(yīng)伙伴，將各種取代的苯甲醛順利轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。1-萘甲醛相容，使預(yù)期產(chǎn)物的收率為87%。噻吩- 3 -甲醛是該反應(yīng)的合適的偶聯(lián)試劑，使芳基酮的產(chǎn)率為81%。當(dāng)使用脂肪族醛作為底物時(shí)，得到中等的產(chǎn)率。2-苯基吡啶類衍生物具有Me、OMe和Br基團(tuán)的產(chǎn)物有54-88%的產(chǎn)率。在苯基環(huán)的對(duì)位處用含醛基、甲氧基或苯基的醛處理苯并[h]喹啉衍生物，以中等收率得到了所需的偶聯(lián)產(chǎn)物。

圖4. 鎳催化芳烴與醛的?；磻?yīng)

Stern-Volmer淬滅和自由基捕獲實(shí)驗(yàn)表明，光催化劑與醛之間通過(guò)HAT過(guò)程生成酰基自由基?；谶@些結(jié)果，提出了芳烴酰化反應(yīng)的合理機(jī)制(圖5)。PQ(PQ*)的激發(fā)態(tài)可以從醛(7)中提取一個(gè)氫，從而獲得?；杂苫?8)和[PQ H]*。然后，[PQ H]*和Ag₂O之間的單個(gè)電子轉(zhuǎn)移再生光催化劑。同時(shí)，由2-苯基吡啶與Pd(OAc)2反應(yīng)生成的PdII配合物(9)與酰基自由基反應(yīng)，然后與Ag₂O結(jié)合完成(ppy)Pd^IV(OAc)₂(TolCO)中間體(10)氧化。最后，還原消除(10)得到所需的產(chǎn)品和Pd(OAc)₂。

圖5. 可能的酰化機(jī)制

最近，Wu小組報(bào)道了一種新方法，該方法在Co(dmgH)₂pyCl(5mol%; dmgH=二甲基乙二醛肟; py=吡啶)存在下，在二氯甲烷(DCM)中，在360nm光下反應(yīng)24h (圖6)，通過(guò)醛的直接激發(fā)得到一系列取代的芴酮，而無(wú)需添加光催化劑。當(dāng)芳環(huán)被替換為C-4'位置的給電子基團(tuán)或吸電子基團(tuán)。間位二取代的[1,1'-聯(lián)苯]-2-甲醛以1：1.2的比例生產(chǎn)出兩種異構(gòu)環(huán)化產(chǎn)物的混合物，總收率為86%。2'-(三氟甲基)-[1,1'-聯(lián)苯]-2-甲醛也得到了34%的成品。這種光催化反應(yīng)耐受雜環(huán)芳烴，盡管產(chǎn)率為25%。氧雜蒽酮和硫雜蒽酮衍生物可以在這種最佳反應(yīng)條件下生成，同樣具有中等產(chǎn)率。

圖6. Co催化取代芴酮的形成

電子順磁共振和自由基消除實(shí)驗(yàn)表明該反應(yīng)中產(chǎn)生了甲?；杂苫?dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)測(cè)量表明，C鍵切割不能決定速率。提出的機(jī)理(圖7)涉及360 nm光照射生成[1,1'-聯(lián)苯]-2-甲醛在激發(fā)態(tài)(11)中，從而減少Co(III)配合物以產(chǎn)生自由基陽(yáng)離子(12)和Co(II)中間體。然后(12)失去一個(gè)質(zhì)子以傳遞?；杂苫?13)，該自由基可以與芳烴進(jìn)行分子內(nèi)自由基加成以得到(14)。然后，Co(II)中間體可以捕獲(14)，以提供C-Co(III)物種(15)。β-H消除(15)產(chǎn)生所需的芴酮。

圖7. 為構(gòu)建重要的芴酮類化合物提供了可能的機(jī)理

2.2. α-酮酸作為?；噭?/p>

α-酮酸也已通過(guò)相應(yīng)的羧酸鹽和光催化劑之間的SET用于自?；噭17]。在45W緊湊型熒光燈(CFL)的照射下，通過(guò)2-氯硫雜環(huán)-9-酮(Cl TXO)和鎳催化劑的組合，將α-酮酸和芳基鹵化物脫羧交叉偶聯(lián)制備了多種酮(圖8)。帶有吸電子基團(tuán)的芳基溴與苯乙醛酸的反應(yīng)導(dǎo)致脫羧芳基化產(chǎn)物的形成。2-溴萘也經(jīng)歷了這種轉(zhuǎn)變。雜芳基鹵化物1-(6-溴吡啶-2-基)-乙基-1-酮耐受性良好，收率為80%。此外，包括取代苯基乙醛酸、脂肪族酮和2-(呋喃-2-基)-2-氧代乙酸在內(nèi)的一系列α-氧代酸是該反應(yīng)的合適底物，產(chǎn)物的產(chǎn)率為44-93%。據(jù)指出，缺電子的芳基碘化物比相應(yīng)的芳基溴具有更高的反應(yīng)活性。

圖8. 鎳催化α -酮酸的脫羧芳基化反應(yīng)

光催化活性與光催化劑的激發(fā)態(tài)氧化電位有關(guān)(圖9)。Stern-Volmer淬滅和自由基捕獲實(shí)驗(yàn)表明，SET從α-酮酸到Cl-TXO*是可能的，并證實(shí)了異丙酰自由基中間體的生成。

圖9. 機(jī)理研究

圖10概述了所提出的反應(yīng)途徑。Cl-TXO(Cl-TXO*)和α-氧代酸的激發(fā)態(tài)之間可能發(fā)生SET，產(chǎn)生羧基自由基(RCOCO2*)和酮基自由基陰離子[Cl-TXO]*。前者可以釋放CO2以產(chǎn)生酰基自由基(RCO*，17)，然后被LnNi^II(Ar)X(19)捕獲，LnNi^II(Ar)X(19)由ArX氧化加成LnNi⁰(溶劑)(18)產(chǎn)生，生成Ni(III)中間體LnNi^III(Ar)(RCO)X(20)。隨后，(20)進(jìn)行還原消除以產(chǎn)生所需的酮和LnNiIX(21)。最后，介于(21)和[Cl-TXO]*之間的SET關(guān)閉循環(huán)，再生催化劑Cl-TXO和(18)。此外，Cl-TXO可用作α-氧代羧酸與烯烴脫羧交聯(lián)的高效光氧化還原催化劑，以產(chǎn)生多種酮(圖11)。在芳環(huán)上含有不同官能團(tuán)的2-芳基乙醛酸也顯示出良好的反應(yīng)活性。各種α，β-不飽和酮不適合作為該轉(zhuǎn)化的底物。

圖10. 脫羧芳基化的可能機(jī)理

圖11. 烯烴的氫?；磻?yīng)

激發(fā)后，光激發(fā)的Cl-TXO(Cl-TXO*)氧化脫羧酸鹽α-酮羧酸鹽以生成?；杂苫?17)和酮基自由基陰離子[Cl-TXO]*(圖12)。加入?；杂苫邢N生成烷基自由基(22)。從[Cl-TXO]*到中間體(23)的SET然后是原生化，提供所需的產(chǎn)物并再生Cl-TXO光催化劑。

圖12. 烯烴氫酰化反應(yīng)的機(jī)理

2.3. N-?；牾啺纷鳛轷；噭?/p>

2021年，羅和他的同事報(bào)道了一種通過(guò)N-?；牾啺泛图谆降慕徊媾悸?lián)合成芳香族酮的有效方法。在20W 365 nm LED照射下，將4,4'-二氯二苯甲酮(Cl-BP)(20 mol%)、NiCl2·glyme(5mol%)、dtbbpy(5mol%)、2,6-二甲基吡啶(2equiv)和甲苯及其衍生物(5mL)的混合物攪拌12h，各種N-?；牾啺放c甲基苯衍生物反應(yīng)來(lái)得到所需產(chǎn)物(圖13)。甲苯與N-?；牾啺吩诒交h(huán)的對(duì)位上反應(yīng)，形成偶聯(lián)產(chǎn)物(產(chǎn)率為56-72%)。缺電子的N-?；牾啺纺褪苄粤己茫M管產(chǎn)量較低。空間位阻效應(yīng)影響了轉(zhuǎn)化，獲得了48-67%的產(chǎn)率。甲苯處理1-(3-苯基丙?；?-吡咯烷-2,5-二酮得到C(sp3)鹵化產(chǎn)物，收率38%。此外，對(duì)二甲苯或間二甲苯與N-?；牾啺返姆磻?yīng)得到64-70%的產(chǎn)率，但鄰二甲苯的產(chǎn)率為18%，這表明空間位阻減緩了反應(yīng)速率。對(duì)氯甲苯和乙苯也提供了34-40%的預(yù)期產(chǎn)品產(chǎn)率。當(dāng)對(duì)二甲苯與Me取代的N-?；牾啺放悸?lián)時(shí)，獲得了良好的收率。

圖13. 以酰胺為酰基取代基的光誘導(dǎo)鎳催化的甲苯衍生物

當(dāng)甲苯和Cl-BP的混合物被365 nm LED照射12小時(shí)(圖14)時(shí)，觀察到1,2-二苯基乙烷，表明形成了[Cl-BP-H]*。添加自由基清除劑2,2,6,6-四甲基-1-哌啶-氧基(TEMPO)可以有效地抑制這種反應(yīng)。這些結(jié)果表明，該光催化反應(yīng)中產(chǎn)生了芐基自由基。圖15概述了可能的機(jī)制。用20W 365 nm LED 照射Cl-BP得到激發(fā)的Cl-BP(Cl-BP*)，它可以從甲苯中提取氫以得到[Cl-BP-H]*和芐基自由基(24)。同時(shí)，N-?；牾啺费苌?25)氧化加成LnNi0(26)生成中間體(27)。隨后，(24)與(27)結(jié)合以遞送NiIII (28)。還原消除得到所需的芳香族酮和(29)，隨后通過(guò)[Cl-BP-H]*還原得到Cl-BP和(26)，從而完成該催化循環(huán)。

圖14. 光催化?；磻?yīng)的機(jī)理研究

圖15. 推測(cè)的酰化反應(yīng)機(jī)理

3. 芐基C-H的三氟甲基化

2022年，Liu及其同事報(bào)告了通過(guò)光氧化還原和不對(duì)稱銅催化組合的芐基C-H鍵的首次對(duì)映選擇性自由基三氟甲基化(圖16)。在395 nm LED 的照射下，使用 Cu(MeCN)4PF6(15 mol%)、L1(18 mol%)、2-氯蒽-9,10-二酮(Cl-AQ，10mol%)和并四苯- 5,12 -二酮(TD，4mol%)在 CHCl₃中成功進(jìn)行了一系列對(duì)映選擇性芐基C-H三氟甲基化。在3位或4位的乙苯取代基以58–78% 的產(chǎn)率和出色的對(duì)映選擇性 (82–94% ee)得到產(chǎn)物。此外，烷基碳鏈上的一系列官能團(tuán)，如鹵素、酯、酰胺和砜，耐受率為48-77%，ee為85-91%。雜芳烴，包括苯并[d]噻唑和苯并[d]惡唑，成功地與Togni-II偶聯(lián)，提供了53-62%的產(chǎn)率和92%ee的所需產(chǎn)物。使用這種雙重催化體系進(jìn)行區(qū)域選擇性C-H三氟甲基化反應(yīng)提供了合理的產(chǎn)率(41-61%)和出色的對(duì)映選擇性(88-94% ee)。

圖16. 加入鎳催化芐基碳?xì)滏I三氟甲基化反應(yīng)

Stern-Volmer熒光猝滅實(shí)驗(yàn)表明，該襯底可以有效猝滅光催化劑的激發(fā)態(tài)。動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)測(cè)量表明，該反應(yīng)的速率決定步驟是HAT過(guò)程。降低反應(yīng)溫度提高了反應(yīng)收率和對(duì)映選擇性。該結(jié)果證明差異焓有助于對(duì)映決定步驟。如圖17所示，AQ最初由395 nm LED激發(fā)，以產(chǎn)生激發(fā)的AQ(AQ*)。然后，自由基AQ*可以從乙苯的芐基位置提取氫，提供芐基自由基(30)和[AQ-H]*。同時(shí)，將L*Cu(I)(31)被Togni-II試劑氧化得到L*(OBz')Cu(III)CF₃(32)，經(jīng)[AQ-H]*還原，得到L*Cu(II) CF₃(33)，AQ再生。最后，L*Cu(II)CF₃物種可以捕獲30，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物的形成，從而完成催化循環(huán)。

圖17.對(duì)映選擇性芐位C-H三氟甲基化反應(yīng)機(jī)理

4.環(huán)合反應(yīng)

2022年，Gong及其同事報(bào)告了一種光催化非對(duì)映和對(duì)映選擇性分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)的方法(圖18)。455 nm LED、5,7,12,14-戊烯醚酮(PT)(5mol%)、L2(11mol%)、NiBr₂(10 mol%)、Na₂CO₃(1.5eq)在CHCl3中照射。有效地促進(jìn)了這種立體選擇性C(sp3)功能化/環(huán)化級(jí)聯(lián)反應(yīng)。在苯基環(huán)的對(duì)位帶有吸電子基團(tuán)或供電子基團(tuán)的(3-氯丙基)-苯轉(zhuǎn)化為所需的手性多環(huán)苯并磺胺(42-82%產(chǎn)率，高達(dá)>20：1dr，52-98% ee)。用N-磺酰胺處理2-(3-氯丙基)-噻吩也導(dǎo)致多環(huán)產(chǎn)物的形成。然而，這種光催化反應(yīng)不適用于仲氯化物和叔氯化物。在優(yōu)化條件下耐受各種N-磺酰亞胺，產(chǎn)量不適中，ee為80-92%，最高可達(dá)20：1dr。

圖18. Ni催化含氯芐基衍生物與N -磺酰亞胺的不對(duì)稱C ( sp3 ) H官能化反應(yīng)

在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，1-(氯甲基)-2-甲基苯、2(氯甲基)-1,3-二甲基苯和4-溴-1(氯甲基)-2-甲基苯與N-磺酰亞胺反應(yīng)，得到的相應(yīng)產(chǎn)物收率51–68%，ee為76–91%。具有兩個(gè)鄰近立體中心的手性稠合四氫異喹啉的產(chǎn)率為64–76%，ee為91–99%(圖19)。

圖19. Ni催化的手性四氫異喹啉類化合物的制備

該反應(yīng)的擬議機(jī)理如圖20所示。PT通過(guò)輻照激發(fā)產(chǎn)生激發(fā)物種PT*。PT*提取(3氯丙基)-苯的芐基C-H鍵得到C中心自由基(34)和[PT-H]*，進(jìn)而還原鎳配位的N-磺酰亞胺(36)生成中間體(37)和光催化劑(PT)。中間體38由34加入到37形成，然后分子內(nèi)親核攻擊得到39。隨后，中間體39和35之間的配體交換產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物和中間體36，從而完成催化循環(huán)。

圖20. 可能的機(jī)理用于制備手性苯并磺內(nèi)酰胺和四氫異喹啉類化合物

5.芳基鹵化物的炔化反應(yīng)

2020年，Liand及其同事[21]利用噻噻烷-9-酮(TXO)作為光敏劑，在45W CFL的照射下，以無(wú)水Zn(OTf)2為添加劑，有效地加速了炔烴的芳基化反應(yīng)(圖21)。含缺電子基團(tuán)和富電子基團(tuán)的芳基炔烴成功地偶聯(lián)到4-溴苯腈上，產(chǎn)率良好至中等(產(chǎn)率為68-93%)。2-乙炔基萘參與了這一轉(zhuǎn)化，收率為62%。4-乙炔基吡啶也可用作底物，得到相應(yīng)產(chǎn)物的收率為55%。烷基炔烴反應(yīng)平穩(wěn)，使芳基化產(chǎn)物收率差至極好。與乙酮反應(yīng)產(chǎn)生所需產(chǎn)品收率45%。1-乙炔基-4甲基苯與苯基環(huán)上不同官能團(tuán)的芳基溴芳基化反應(yīng)進(jìn)展順利，收率達(dá)到49–89%。發(fā)現(xiàn)雜芳基溴是有效的偶聯(lián)伙伴(產(chǎn)率為72%)。然而，當(dāng)使用5-溴苯并[d][1,3]-二惡茂時(shí)，沒(méi)有觀察到所需的產(chǎn)物。相比之下，5-碘苯并-[d][1,3]二惡確實(shí)反應(yīng)了62%的產(chǎn)率。

圖21. Ni催化的C(sp) C(sp2)偶聯(lián)反應(yīng)。以芳基碘化物為底物

如表1所示，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率與光催化劑的三重態(tài)能(ET)密切相關(guān)，而不是與激發(fā)態(tài)氧化電位密切相關(guān)，并且具有最高ET的TXO被證明是最有效的。用1-乙炔基-4-甲基苯處理(dtbbpy)-4-氰基苯基溴化鎳(Ni-1)，在45W CFL和紫外光的照射下，分別得到13%和24%的預(yù)期產(chǎn)物產(chǎn)率(圖22)。4-溴苯腈和1-乙炔基-4-甲基苯在45W CFL或者在365 nm下交叉偶聯(lián)得到11%或16%的產(chǎn)物收率。這些結(jié)果表明，光催化劑激發(fā)態(tài)與NiII中間體之間的三重態(tài)-三重態(tài)能量轉(zhuǎn)移參與了該反應(yīng)。

圖22. 還原消除的化學(xué)計(jì)量學(xué)研究

非機(jī)理研究揭示了退出狀態(tài)光催化劑與Ni(II)之間的初始能量轉(zhuǎn)移(圖23)。芳基鹵化物的氧化加成[(dtbbpy)Ni0](41)得到(dtbbpy)NiII(Ar)X(42)。(42)與原位形成的乙酰炔鋅(40)的金屬轉(zhuǎn)染生成芳基-Ni(II)乙?；?43)。同時(shí)，用光照射將TXO轉(zhuǎn)換為光激發(fā)TXO(TXO*)，然后將能量轉(zhuǎn)移到(43)。得到的(44)，經(jīng)過(guò)還原消除，得到目標(biāo)產(chǎn)物，從而完成催化循環(huán)。

圖23. 提出的Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理

6.芳基鹵化物的醚化

一些研究人員報(bào)道了在可見光下使用TXO作為光敏劑對(duì)酚和芳基鹵化物進(jìn)行鎳催化醚化(圖24)[22]。一系列的機(jī)理實(shí)驗(yàn)表明，涉及從TXO(TXO*)激發(fā)態(tài)到NiII復(fù)合物的三重態(tài)能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程可能是可操作的。鄰位、間位或?qū)ξ蝗〈匿灞脚c苯酚高效偶聯(lián)，使聯(lián)芳基醚的產(chǎn)率為60-91%。當(dāng)使用2-溴萘?xí)r，以51%的收率獲得所需的產(chǎn)物。雜芳基溴提供了相應(yīng)的產(chǎn)品，收率為94%。觀察到在酚的3或4位存在富電子或電子中性基團(tuán)有利于這種光催化反應(yīng)。然而，貧電子酚需要延長(zhǎng)120 h的反應(yīng)時(shí)間，收率達(dá)到51-53%。同樣，鄰位取代的酚提供了所需的產(chǎn)物，但需要更長(zhǎng)的120小時(shí)照射時(shí)間。值得注意的是，氯代芳烴，1 - ( 4 -氯苯基)-乙酮，也能以28 %的產(chǎn)率得到。

圖24. Ni催化苯酚的O -芳基化反應(yīng)。以氯代芳烴為底物

7.酚類酯化反應(yīng)

2022年，Li和合作者[23]報(bào)道了一種通過(guò)Ni催化的苯酚與芳香醛的無(wú)受體脫氫?；磻?yīng)合成苯甲酸芳酯的新方法( 圖 25 )。值得注意的是，這種光催化反應(yīng)不需要外部光催化劑，因?yàn)槿﹫?zhí)行了這種作用。在NiCl2 glyme ( 10mol %)，dtbbpy ( 12mol %)，Na2CO3 ( 1equiv )存在下，以二氯乙烷( DCE , 1mL)為溶劑，365 nm LEDs下反應(yīng)24h，成功實(shí)現(xiàn)了醛與酚的偶聯(lián)。值得注意的是，戊醛與保護(hù)的α -氨基在20mol %的苯甲醛催化下，以70 %的產(chǎn)率得到了偶聯(lián)產(chǎn)物。雌酮是該光催化反應(yīng)的良好底物，在最優(yōu)條件下，偶聯(lián)產(chǎn)物的產(chǎn)率為85 %。

圖25. 鎳催化的醛與酚的酯化反應(yīng)

熒光猝滅實(shí)驗(yàn)表明苯甲醛( BD * )的激發(fā)態(tài)與苯酚或酚酸鹽之間存在一個(gè)SET過(guò)程。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，加入1,1 -二苯基乙烯或2,6 -二叔丁基- 4 -甲基苯酚作為自由基捕獲劑，分別得到了2 %和15 %的目標(biāo)產(chǎn)物，表明?；杂苫拇嬖谏?。高分辨質(zhì)譜( HRMS )表明苯氧基、羥苯基和苯甲?；漠a(chǎn)生。在(圖26)中概述了醛與酚酯化反應(yīng)的可能機(jī)理。用365 nm的LED照射BD，得到激發(fā)的BD *。芳氧自由基( Ar ' O * , 45)可以通過(guò)酚酸鹽陰離子或苯酚與BD *之間的SET或HAT得到。BD *還可以從苯甲醛中奪取一個(gè)氫原子，得到一個(gè)苯甲?；杂苫? ArCO *、46 )和BD *。中間體(45)和(46)可與LnNiⅠ- X ( 47 )反應(yīng)生成LnNiⅢ( Ar ' O) ( ArCO ) X ( 48 )，然后經(jīng)過(guò)還原消除生成目標(biāo)產(chǎn)物和(47)。生成的NiI絡(luò)合物再與Ar ' OH或H+反應(yīng)，得到Ni ( II )中間體( 49 )和H2。最后用BD·-對(duì)(49)進(jìn)行消除，重新生成BD和(47).

圖26. 醛、酚類化合物可能的析氫酯化反應(yīng)機(jī)理

8.硼化

在2023年，Takaya和他的合作者[24]報(bào)道了通過(guò)光能和Rh催化的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)芳基酮的C-C σ -鍵的硼化來(lái)合成芳基硼酸酯(圖27)。一系列苯環(huán)對(duì)位帶有給電子或吸電子基團(tuán)的特戊烯酮以良好的產(chǎn)率得到了所需的芳基硼酸酯。然而，4 - Ph取代的特戊烯酮并不是該反應(yīng)的合適底物。間位和鄰位取代的苯乙酮也被硼化，以56 ~ 81 %的收率得到預(yù)期產(chǎn)物。含縮酮結(jié)構(gòu)的底物與HBpin反應(yīng)得到了目標(biāo)產(chǎn)物。此外，羰基碳上的一系列烷基也被接受( 16-48 %的產(chǎn)率)。自由基捕獲劑實(shí)驗(yàn)表明，該反應(yīng)涉及苯甲?；杂苫虚g體。用DBpin代替HBpin進(jìn)行氘標(biāo)記實(shí)驗(yàn)表明，氘轉(zhuǎn)移到產(chǎn)物異丁烷的次甲基碳上?；谶@些結(jié)果，提出了一種可能的機(jī)制(圖28 )。在365 nm光照下，PIP可通過(guò)C-C σ -鍵的σ -斷裂產(chǎn)生芳?；杂苫? 50 )和叔丁基自由基( 51 )。(51)和HBpin之間的HAT導(dǎo)致異丁烷( 53 )和硼基自由基的形成。隨后，(50)與硼自由基被銠配合物( 52 )捕獲，得到芳?；?硼基)銠配合物( 54 )，該配合物擠壓CO生成芳基(硼基)銠配合物( 55 )。最后，還原消除(55)得到硼化產(chǎn)物同時(shí)再生銠配合物(52)，從而完成催化循環(huán)。

圖27和28. Rh催化C-C σ鍵斷裂合成芳基硼酸酯過(guò)程機(jī)理

9 .磺化

2021年，Gong及其合作者報(bào)道了環(huán)烷烴、烷烴、甲苯衍生物和醚的直接和選擇性不對(duì)稱磺?；磻?yīng)的有效方法(圖29 )[25]。在24W 455 nm LED照射下，以二氯乙烷為溶劑，以5,7,12,14 -五乙酰苯乙酮( PT )、L3( 18mol %)、Ni( ClO4 )2·6H2O ( 15mol %)為原料，對(duì)一系列未取代的環(huán)烷烴與1,4 -二氮雜雙環(huán)[ 2.2.2 ]辛烷1,4 -二鎓- 1,4 -二亞磺酸鹽( DABCO·( SO2 ))2和含N-?；吝虻摩?，β -不飽和羰基化合物進(jìn)行磺酰化反應(yīng)，以優(yōu)異的化學(xué)選擇性( 91 ~ 95 % ee)得到62 ~ 73 %的收率。均三甲苯工作良好，得到相應(yīng)的手性產(chǎn)物( 72 %收率, 90 % ee)。二級(jí)芐基烴與( DABCO·( SO2 ))2和N-酰基吡唑的反應(yīng)獲得了中等收率。2 -甲基噻吩以60 %的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物，ee值為88 %。含有β -芳基的α,β -不飽和N-?；吝蛞材芤?0 %的收率得到，83 %的ee值。

圖29. 光催化三組分不對(duì)稱磺?；磻?yīng)

TEMPO的存在完全抑制了該反應(yīng)，并通過(guò)HRMS觀察到TEMPO-C自由基產(chǎn)物(圖30)。4 - (環(huán)丙基甲基) – 1,1 ' -聯(lián)苯反應(yīng)以63 %的產(chǎn)率得到開環(huán)產(chǎn)物。此外，PT的激發(fā)態(tài)被甲苯猝滅。這些觀察與芐基自由基的形成是一致的。環(huán)丙基取代的N-酰基吡唑沒(méi)有得到開環(huán)產(chǎn)物，說(shuō)明N-?；吝虻摩? -碳自由基不是中間體。同樣，用N-?；吝蛱幚憝h(huán)戊烷亞磺酸鈉也沒(méi)有得到預(yù)期的產(chǎn)物，排除了磺酰負(fù)離子中間體的形成。

圖30. 不對(duì)稱磺?；磻?yīng)的機(jī)理研究

反應(yīng)機(jī)理如式( 31 )所示。首先，在455 nm LEDs的照射下，PT被激發(fā)到三重態(tài)( PT * )，它可以從R1-H中提取一個(gè)氫原子，生成[ PT-H ] *和碳自由基中間體( 56 )。然后，二氧化硫釋放原位空穴(56)，以容納磺?；杂苫? R1SO2 * ) ( 57 )。同時(shí)，α,β -不飽和N-?；吝? 61 )與L * Ni進(jìn)行配體交換得到Ni配合物( 58 )，配合物( 58 )可與(57)反應(yīng)得到中間體(59)。(59)和[ PT-H ] *之間的單電子轉(zhuǎn)移可以產(chǎn)生PT和中間體(60)。隨后在中間體(60)和(61)之間進(jìn)行配體交換，得到所需的手性砜，完成光催化循環(huán)。

圖31. 提出了不對(duì)稱磺?；磻?yīng)的機(jī)理

最近，Gong等報(bào)道了在PT存在下，甲苯衍生物和環(huán)烷烴與亞磺酸鈉發(fā)生位點(diǎn)選擇性C(sp³)-H磺?；磻?yīng)的溫和方法( 10 mol % )和Cu (OTf)₂ (1.2 equiv)，在50 W 410 nm LED照射下(圖32)。富電子的乙苯可以有效的偶聯(lián)，以良好的產(chǎn)率( 64-74 % )得到目標(biāo)產(chǎn)物。含有順式側(cè)鏈或遠(yuǎn)程官能團(tuán)的次級(jí)芐基碳?xì)滏I底物也能有70 - 78 %的產(chǎn)率。含有二級(jí)和三級(jí)C-H鍵的1 -乙基- 4 - ( 4 -異丙基苯氧基)苯與苯亞磺酸鈉反應(yīng)以48 %的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物，位點(diǎn)選擇性為2：1rr。在苯環(huán)對(duì)位帶有吸電子或供電子基團(tuán)的芳基磺酸鹽與交叉偶聯(lián)是相容的。噻吩- 2 -亞磺酸鈉或萘- 2 -亞磺酸鈉經(jīng)此偶聯(lián)反應(yīng)，以71 - 75 %的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物。值得注意的是，烷基亞磺酸鈉適合于這種轉(zhuǎn)化，并且在最佳反應(yīng)條件下獲得了良好的產(chǎn)率。此外，其他C(sp3)-H前體，如環(huán)烷烴、金剛烷與4 -溴苯亞磺酸鈉的磺酰化反應(yīng)也能以中等的產(chǎn)率得到目標(biāo)產(chǎn)物。

圖32. 在三氟甲磺酸銅作為氧化劑通過(guò)PT實(shí)現(xiàn)了光誘導(dǎo)的C(sp³)-H磺?；磻?yīng)

機(jī)理研究表明，激發(fā)態(tài)的PT ( PT * )可以從C(sp³)-H前體中抽提H原子，得到以C為中心的自由基( 62 )和[ PT-H ] * (圖33 )。同時(shí)，Cu ( OTf )₂( 63 )與R⁴SO₂Na反應(yīng)生成[ TfO - Cu^Ⅱ- SO₂R⁴] ( 64 )，[ TfO - CuⅡ- SO₂R⁴] ( 64 )捕獲62得到Cu ( III ) ( 65 )。該65再經(jīng)過(guò)還原消除，生成目標(biāo)產(chǎn)物和CuIOTf。最后，CuⅠ中間體歧化生成Cu⁰和Cu^Ⅱ。后者再被[ PT-H ] *還原生成Cu^I和PT，從而完成催化循環(huán)。

圖33. 提出了光催化反應(yīng)位點(diǎn)選擇性C(sp3)-H磺酰化的機(jī)理

2022年，Li課題組報(bào)道了在dtbbpy ( 12 mol % )、DMSO ( 3 m L )存在下，以2 -氯-硫代氧雜蒽- 9 -酮( Cl-TXO )為光催化劑，鎳催化芳基亞磺酸鹽與(雜)芳基鹵化物的交叉偶聯(lián)反應(yīng)(圖34)。文獻(xiàn)報(bào)道了苯亞磺酸鈉與一系列苯環(huán)4位、3位、5位帶有吸電子或供電子基團(tuán)的芳基溴化物的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，得到了目標(biāo)產(chǎn)物(收率35 % ~ 90 %)。鄰位取代的芳基溴化物以47 % ~ 53 %的收率得到交叉偶聯(lián)產(chǎn)物。2溴代萘與雜環(huán)芳基溴化物反應(yīng)，以中等收率得到磺?；a(chǎn)物( 50 ~ 88 % )。產(chǎn)量)。以55 - 83 %的收率分離了F、Me、CF₃取代的芳基磺酸鈉。萘- 2亞磺酸酯的芳基化反應(yīng)以60 %的收率得到相應(yīng)的產(chǎn)物，雜環(huán)磺酸鈉與4 -溴苯腈反應(yīng)以50 %的收率得到相應(yīng)的二芳基砜。

圖34. Ni催化芳基亞磺酸酯與(雜)芳基鹵化物的芳基化反應(yīng)

如圖 35所示，預(yù)期產(chǎn)物的產(chǎn)率與光催化劑的激發(fā)態(tài)氧化還原電位有關(guān)，還原電位最高的Cl-TXO是最有效的，表明SET介于光催化劑和鎳催化循環(huán)之間。此外，1,1 -二苯基乙烯或TEMPO的加入導(dǎo)致產(chǎn)率降低，表明該反應(yīng)有自由基物種參與。

圖35. 芳基亞磺酸鈉芳基化反應(yīng)的機(jī)理研究

Cl-TXO的激發(fā)態(tài)( Cl-TXO * )可以氧化Ar ' SO₂Na得到[ Cl-TXO ] *和芳基磺酰基自由基( Ar ' SO₂ *) ( 66 ) (圖式36 )。隨后，Ar-X與Ln Ni⁰(溶劑) ( 67 )氧化加成生成的Ln Ni^II ( Ar ) X ( 68 )捕獲(66)得到Ni^III中間體( 69 )。中間體(69)經(jīng)過(guò)還原消除得到所需的二芳基砜和LnNi^I - X ( 70 )。最后，(70)氧化[ Cl-TXO ] *完成催化循環(huán)。

圖36. 提出了芳基亞磺酸鹽與芳基鹵化物的磺?；磻?yīng)機(jī)理

10 .芳基鹵化物的磷酸化

2021年，Li和同事報(bào)道了在45 W CFL輻照下，通過(guò)硫代氧雜蒽- 9 -酮( TXO )和鎳催化劑的組合構(gòu)建芳基氧膦和芳基磷酸酯，用于H -氧膦和H -亞磷酸酯與芳基鹵化物的芳基化反應(yīng)(圖37 )[28]。缺電子的溴代芳烴以中等到良好的產(chǎn)率發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，而富電子的溴代芳烴不發(fā)生反應(yīng)。1 - Iodo - 4-甲基苯酚以66 %的收率得到預(yù)期產(chǎn)物。3溴喹啉同樣以67 %的收率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。一些H -膦氧化物和H -亞磷酸酯底物，如二對(duì)甲苯基氧化膦、二烷基亞磷酸酯和二苯并[ c、e][ 1、2 ]氧雜膦- 6 -氧化物，都能以較好的產(chǎn)率得到芳基化產(chǎn)物。

圖37. Ni催化的芳基鹵化物的光誘導(dǎo)膦?；磻?yīng)

產(chǎn)物的產(chǎn)率與光催化劑的激發(fā)態(tài)氧化還原電位有很強(qiáng)的相關(guān)性。此外，在這種光誘導(dǎo)膦酰化反應(yīng)中產(chǎn)生了以磷為中心的自由基，通過(guò)電噴霧電離質(zhì)譜和自由基捕獲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了表征。如圖38所示，激發(fā)態(tài)的TXO ( TXO* )與[ R₁R₂P ( O )H ]之間的SET或HAT過(guò)程生成[ TXO ]*和[ R₁R₂P (O)* ] ( 71 )，然后參與鎳催化的芳基溴化物的膦?；磻?yīng)，包括Ar-X與Ln Ni⁰的氧化加成( 72 )，71與Ln Ni^II ( Ar ) X的加成( 73 )，以及Ln Ni^III ( Ar ) ( POR₁R₂ ) X的還原消除( 74 )，得到目標(biāo)產(chǎn)物和Ln Ni^IX ( 75 )。

圖38. 提出了鎳催化P(O)-C(sp2)偶聯(lián)的機(jī)理

11.三組分烯烴偶聯(lián)

Wang課題組在溫和條件下發(fā)現(xiàn)了一種鈀催化的烯丙基烷基化反應(yīng)，該反應(yīng)涉及一種HAT光催化劑介導(dǎo)的親核試劑生成策略(圖39)。多種末端烯烴，脂肪族C ( sp3 ) H偶聯(lián)伙伴以5，7，12，14 -五苯乙酮( PT ) aHAT為光催化劑，Pd2 ( dba ) 3 / P( 3 , 5 - Me2C6H3)3為催化劑，DCE為溶劑，在6W 420 nm LEDs的照射下，烯丙基碳酸酯適合于該三組分偶聯(lián)反應(yīng)。苯環(huán)上帶有給電子或吸電子取代基的末端烯烴均能以56 - 83 %的產(chǎn)率得到所需的烯丙基化產(chǎn)物。在該烯丙基烷基化反應(yīng)中也引入了2 - (吡啶- 3 -基)丙烯酸甲酯，發(fā)現(xiàn)α -烷基丙烯酸酯是有效的，以51 - 54 %的收率得到交叉偶聯(lián)產(chǎn)物。同樣，烯丙酰苯也得到了目標(biāo)產(chǎn)物( 50 %收率)。2,3 -二甲基丁烷在第3位進(jìn)行官能化。吸電子基、富電子基或電子中性基取代的甲苯產(chǎn)品收率48 - 81 %。2 -甲基噻吩也是一個(gè)合適的底物，以42 %的產(chǎn)率得到了預(yù)期的產(chǎn)物。環(huán)己基苯的芐位選擇性C-H官能化反應(yīng)以45 %的產(chǎn)率得到了預(yù)期的產(chǎn)物。1,3 -苯并二氧雜環(huán)戊烷以優(yōu)異的收率( 84 % )反應(yīng)。值得注意的是，一些取代的烯丙基碳酸酯，包括2 -烷基和2 -芳基取代的烯丙基碳酸酯也以61 - 80 %的產(chǎn)率得到了相應(yīng)的產(chǎn)物。

圖39. 鈀催化烯丙基烷基化反應(yīng)a48h . b36h . c96h .

在模型反應(yīng)中加入TEMPO有效地阻止了烯丙基烷基化反應(yīng)的進(jìn)行，并通過(guò)HRMS檢測(cè)到了烷基- TEMPO加合物(圖40 )。Stern – Volmer淬滅實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)己烷或甲苯降低了PT的光致發(fā)光強(qiáng)度。這些結(jié)果表明，激發(fā)態(tài)的PT將H原子從C H耦合伙伴中提取出來(lái)。此外，在Pd2 ( dba )3和P(3,5 - Me2C6H3)3存在下，Giese加成產(chǎn)物和甲基烯丙基碳酸酯的處理并沒(méi)有得到所需的烯丙基化產(chǎn)物，表明光催化Pd催化的烯丙基烷基化反應(yīng)并沒(méi)有發(fā)生。質(zhì)子轉(zhuǎn)移穿梭體六氟異丙醇( HFIP , 60mol %)的存在完全抑制了反應(yīng)的進(jìn)行，表明該反應(yīng)涉及質(zhì)子轉(zhuǎn)移。

圖40. 鈀催化烯丙基烷基化反應(yīng)的機(jī)理研究

在圖41中，我們提出了一種雙光氧化還原/鈀催化機(jī)制。激發(fā)態(tài)PT ( PT * )和環(huán)己烷之間的HAT導(dǎo)致烷基自由基( 76 )和[ PT-H ] *的形成。前者迅速被貧電子烯烴捕獲，生成缺電子自由基( 77 )，該自由基被[ PT-H ] *氧化生成碳負(fù)離子親核試劑( 78 )，PT再生。Pd0( 79 )與烯丙基碳酸酯配位，形成π -烯丙基中間體( 80 )。然后，Pd -配合物(80)失去碳酸二甲酯，得到陽(yáng)離子型Pd (Ⅱ) π -烯丙基配合物( 81 )。該物種隨后受到(78)的攻擊，產(chǎn)生所需的產(chǎn)物，再生(79)。

圖41. 提出了鈀催化烯丙基烷基化反應(yīng)機(jī)理

2021年，莫蘭德及其合作者報(bào)道了鎳催化的以醚或醇為自由基前體，4 - ( 4 -甲氧基苯甲酰基)苯甲腈(CN-Ome-BP)為催化劑的烯烴多組分雙碳官能化反應(yīng)(圖42)。Zhang等用含吸電子基團(tuán)的芳基溴化物處理環(huán)戊基甲醚，得到了較好的交叉偶聯(lián)產(chǎn)物。電子中性或供電子的芳基溴化物不是合適的底物，但芳基碘化物具有足夠的反應(yīng)活性。氟馬西尼被轉(zhuǎn)換為以36 %的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物。5 -溴- 2 - (三氟甲基)吡啶以65 %的收率得到相應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)物。醇和α -硼酸酯底物參與了該轉(zhuǎn)化，得到了目標(biāo)產(chǎn)物(收率35 ~ 91 %)。此外，一系列內(nèi)烯烴以34-80 %的收率和良好的非對(duì)映選擇性反應(yīng)。

圖42. 光化學(xué)鎳催化烯烴多組分雙碳官能化反應(yīng)

圖43概述了三組分HAT介導(dǎo)的光氧化還原/鎳雙催化烯烴雙碳官能化的機(jī)理。激發(fā)態(tài)的CN-Ome-BP ( CN-Ome-BP *)可以從C-H底物中抽提H原子得到[ CN-OMe-BP-H] *和碳中心自由基( 83 )，然后與活化的烯烴發(fā)生Giese加成，得到相應(yīng)的自由基加合物( 84 )。同時(shí)，Ar-Br與Ni ( 0 )( 85 )發(fā)生氧化加成反應(yīng)，生成Ni ( II )中間體( 86 )，后者捕獲(84)生成Ni ( III )配合物( 87 )。接著，(87)的還原消除得到目標(biāo)產(chǎn)物和Ni ( I )配合物( 88 )。最后，(88)和[ CN-OMe-BP-H] *之間的SET再生CN-OMe-BP和產(chǎn)物(85)，完成兩個(gè)催化循環(huán)。

圖43. 提出了烯烴多組分雙碳官能化的機(jī)理

2022年，No?l小組[31]報(bào)道了近紫外光誘導(dǎo)Ni催化的二苯甲酮類光催化劑和硅烷參與的烯烴的交叉親電偶聯(lián)和1,2 -二碳官能化反應(yīng)( 圖 44 )。在( 4-甲氧基苯基) ( 4- (三氟甲基) phenyl )甲酮(CF3-OME-BP)，( dtbbpy ) Ni Br2，2,6-二甲基吡啶，( TMS ) 3Si H存在下，伯、仲烷基溴與對(duì)溴苯甲酸甲酯高效偶聯(lián)，在16 W 365 nm連續(xù)流動(dòng)光照射下，以55 - 90 %的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。二級(jí)雜環(huán)烷基溴化物具有良好的耐受性，以50-76 %的產(chǎn)率得到芳基化產(chǎn)物。雄酮以60 %的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物。利用該光致發(fā)光器件將不同范圍的(雜)芳基溴化物與溴丙基硼酸頻哪醇偶合如5 -溴- 2 - (三氟甲基)吡啶、5 -溴苯并[ b ]噻吩、5 -溴- 1 -甲基- 1H -吲哚、2 -溴二苯并[ b、d]呋喃等，也有使用這種連續(xù)流動(dòng)協(xié)議(收率56 ~ 76 %)對(duì)交叉耦合產(chǎn)品進(jìn)行了研究。以Ph CF3為溶劑，在390 nm下照射16 h進(jìn)行烯烴的還原1,2 -雙官能團(tuán)化反應(yīng)( 圖 45 )。環(huán)己基溴化物、丙烯酸叔丁酯和芳基溴化物在對(duì)位和間位引入吸電子或供電子基團(tuán)，反應(yīng)收率為40 % ~ 63 %。雜芳烴5 -溴- 2 (三氟甲基)吡啶也能順利反應(yīng)，以45 %的產(chǎn)率得到目標(biāo)產(chǎn)物。含氧和氮雜原子的雜環(huán)溴化物也被容忍，給出交叉偶聯(lián)產(chǎn)物的產(chǎn)率在45 - 56 %。無(wú)環(huán)溴化物是該轉(zhuǎn)化的適宜底物(產(chǎn)率65 % )。1,3 -二溴金剛烷以67 %的收率在單一位置被官能化。苯乙烯基硼酸頻哪醇酯和呋喃- 2 ( 5H )均為較好的底物，產(chǎn)率分別為72 %和61 %。甾酮衍生物也是良好的底物。值得注意的是，4 -取代苯甲酰氯和丁酰氯也可用于(收率42 % ~ 65 %)。

圖44. 以CF3-OME-BP為HAT光催化劑，Ni催化的直接交叉親電偶聯(lián)反應(yīng)

圖45. 以CF3-OME-BP為HAT光催化劑，Ni催化烯烴的1,2 -雙碳官能化反應(yīng)

該還原交叉偶聯(lián)的機(jī)理涉及激發(fā)態(tài)CF₃-OME-BP從( TMS )₃SiH中提取氫生成硅中心自由基( 89 )和酮基自由基[CF₃-OME-BP-H] * ( 圖46 )。鹵素原子從溴代烷基轉(zhuǎn)移到(89)，形成( TMS )3SiBr和以碳原子為中心的自由基( 90 )。由Ar BrtoaNi ( 0 )物種( 91 )氧化加成生成的中間體(92)捕獲(90)，得到( dtbbpy ) NiⅢ( R ) ( Br ) ( Ar ) ( 93 )，經(jīng)還原消除生成目標(biāo)產(chǎn)物和Ni ( I )物種( 94 )。從[ CF3 OME BP H] *到(94)的SET給出了(91)和CF₃-OME-BP。

圖46 提出的交叉親電耦合機(jī)理

12.芐位C-H氰化

2022年，Liu課題組[32]報(bào)道了一種結(jié)合電光化學(xué)氧化和銅催化的高效的芐位C-H氰基化方法(圖47)。優(yōu)化的反應(yīng)條件為：420 nm LEDs照射，Cu(MeCN)₄PF₄ ( 5mol % )，雙惡唑啉( L4 / L5 , 7.5 mol %)，2 -氯蒽醌( Cl-AQ )或2 -甲基蒽醌( Me-AQ ) ( 5mol % )，HOAc ( 4equiv )，TBABF₄ ( 10 mmol )在MeCN / DCE中，以網(wǎng)狀玻碳( RVC )為陽(yáng)極，Pt / Ti為催化劑，恒電流條件下反應(yīng)在未分裂的細(xì)胞中的陰極。該反應(yīng)有效地促進(jìn)了芐位C-H的不對(duì)稱氰基化反應(yīng)。對(duì)位被吸電子或富電子基團(tuán)取代的乙苯類化合物與TMSCN高效地反應(yīng)，以良好至高產(chǎn)率和良好的對(duì)映選擇性得到目標(biāo)產(chǎn)物。鹵代正丁基苯以67 %的產(chǎn)率和80 %的ee值反應(yīng)。含有OAc基團(tuán)的底物以81 %的產(chǎn)率和85 %的ee值反應(yīng)。異戊基苯和4 - (叔丁基)乙酸苯乙酯得到所需的手性產(chǎn)物(收率80 ~ 85 % , ee 82 ~ 85 %)。3 -乙基噻吩是這種不對(duì)稱芐位C-H氰化反應(yīng)的良好底物。

圖47. 電光催化對(duì)映選擇性芐位C-H氰化反應(yīng)

激發(fā)態(tài)的R-AQ從乙苯中抽提一個(gè)氫原子，得到芐基自由基( 95 )和[R-AQ-H] * (圖 48 )。然后，L * Cu ( II ) ( CN )₂ ( 97 )與(95)結(jié)合，得到目標(biāo)分子和L * Cu ( I ) ( CN ) ( 96 )。[ R-AQ-H]*和(96)被陽(yáng)極氧化，并伴隨著H2的析出完成催化循環(huán)。

圖48. 提出了Cu催化芐位C氫鍵不對(duì)稱氰基化反應(yīng)的機(jī)理

同年，Xu和合作者發(fā)展了一種無(wú)氧化劑的光電催化芐位C(sp³)-H不對(duì)稱氰基化制備手性芐腈的方法。這些作者提出了不同的機(jī)制( 圖 49 )。烷基芳烴可以向激發(fā)態(tài)光催化劑蒽醌- 2，7 -二磺酸鈉( AQDS * )轉(zhuǎn)移一個(gè)電子，產(chǎn)生離子-自由基對(duì)，該自由基對(duì)發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移，生成芐基自由基( 98 )和[ AQDS H ] *。然后，這個(gè)自由基( 98 )被L * Cu ( II ) ( CN ) 2 ( 99 )截獲，得到一個(gè)Cu ( III )物種( 100 )，它經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的還原消除生成所需的手性芐腈和L * Cu ( I ) ( CN ) ( 101 )。最后，[ AQDS H ] *和(101)在陽(yáng)極被氧化得到AQDS和(99)。

圖49. 提出了Cu催化芐基碳?xì)滏I不對(duì)稱氰化的機(jī)理

395 nm LEDs照射和同時(shí)電解的條件下，一系列官能化的烷基苯以較好的產(chǎn)率和較高的位點(diǎn)和對(duì)映選擇性發(fā)生反應(yīng)( 圖 50 )。含有溴代物、磺酸鹽、環(huán)氧化合物、硅醚、酯、羧酸、烷基疊氮和氨基酯的乙苯進(jìn)行芐位C(sp3)-H氰基化反應(yīng)，產(chǎn)率為44 - 86 %。電子中性、富電子和缺電子的對(duì)位或間位取代的乙苯也產(chǎn)生了所需的產(chǎn)物( 51 ~ 84 %收率, 84 ~ 94 % ee)。5 -乙基- 2 -甲基吡啶與TMSCN的交叉偶聯(lián)反應(yīng)以60 %的收率得到氰基化產(chǎn)物，ee值為81 %。具有多個(gè)潛在位點(diǎn)的底物以良好的產(chǎn)率和較高的位點(diǎn)選擇性和對(duì)映選擇性進(jìn)行反應(yīng)。較大的站點(diǎn)電子密度和較低的空間位阻是選擇性氰基化的首選。

圖50. 芐基C(sp³)-H的電光催化位點(diǎn)和對(duì)映選擇性氰化

13.C(sp³)-H疊氮化

2020年，Lei課題組[34]報(bào)道了在電光催化條件下，以親核試劑NaN3為疊氮源，錳催化C(sp³)-H的氧化疊氮化反應(yīng)(圖51)。在乙腈/乙酸混合溶劑中，1,10 -鄰菲羅啉(鄰菲羅啉, 20mol %)，9 -芴酮( FLN為11mol %)或2,3 -二氯- 5,6 -二氰基對(duì)苯醌( DDQ , 5.5mol %)，MnF₂或MnBr₂·4H₂O ( 10 mol % )，KBr ( 40 mol % )，TFA ( 4.0 equiv )和LiClO₄ ( 2.0 equiv )存在下，通過(guò)恒電流電解，在藍(lán)光LEDs照射下，可以容忍一系列芐基C(sp3)-H。三級(jí)芐基C(sp3)-H以良好的產(chǎn)率提供了預(yù)期的疊氮化產(chǎn)物。含有兩個(gè)三級(jí)芐基C(sp3)-H基團(tuán)的1,4 -二異丙基苯可以以57 %的收率被使用，但得到了一些二疊氮化產(chǎn)物。乙苯衍生物與Na N3反應(yīng)，以中等收率得到目標(biāo)產(chǎn)物。一些含有簡(jiǎn)單C(sp³)-H的未活化底物也能以31 - 50 %的產(chǎn)率得到C(sp³)-H疊氮化產(chǎn)物。在圖52中展示了這種C(sp³)-H的電光催化疊氮化的可能機(jī)理。在藍(lán)光LED的照射下，羰基可以達(dá)到其激發(fā)態(tài)，從而將一個(gè)氫原子從基底上抽離出來(lái)給出了C(sp³)自由基( 102 )和酮基自由基。后者在陽(yáng)極被氧化以達(dá)到其基態(tài)。同時(shí)，NaN₃將一個(gè)電子轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極，導(dǎo)致疊氮自由基的形成。隨后，疊氮自由基從底物中抽提H原子得到HN₃和(102)。陽(yáng)極與Mn (Ⅱ) ( N3 ) / L ( 104 )的SET反應(yīng)得到Mn (Ⅲ) ( N3 ) / L ( 105 )，(102)與(105)反應(yīng)得到預(yù)期產(chǎn)物和Mn (Ⅱ) / L ( 103 )。

圖51和52. C(sp³)-H的電光催化疊氮化反應(yīng)過(guò)程和機(jī)理

14.脂肪族的脫氫

Huang和他的合作者[35]報(bào)道了鈷催化的脂肪族底物的無(wú)受體脫氫反應(yīng)( 圖 53 )，在DCE中使用2 -氯蒽- 9,10 -二酮( Cl-AQ , 25mol %)和dmgH₂ ( 50 mol % )在400 - 415 nm的LED照射下進(jìn)行。各種取代的乙苯是合適的底物，提供了71 - 95 %的預(yù)期脫氫產(chǎn)物的產(chǎn)率。2 -萘乙烷是可行的該反應(yīng)的底物。四氫萘和環(huán)己基苯以32 - 67 %的收率轉(zhuǎn)化為萘和1,1'-聯(lián)苯。3 -苯甲酸苯丙酯反應(yīng)，收率59 % ( E / Z = 1∶1)。硫醚，如乙基(萘- 2基)硫烷和2 - (苯乙硫基)嘧啶，順利地進(jìn)行了脫氫反應(yīng)(收率68 ~ 71 %)。N-芳基酰胺的反應(yīng)以45 - 90 %的產(chǎn)率生成目標(biāo)產(chǎn)物。有趣的是，α，β，γ，δ -不飽和內(nèi)酰胺發(fā)生雙脫氫反應(yīng)得到1 -苯基氮雜環(huán)庚- 2 -酮。使用1，2，3，4 -四氫萘- 2 -醇或4 -苯基環(huán)己- 1 -醇得到了目標(biāo)產(chǎn)物(收率61 ~ 96 %)。3 -苯基丙酸苯酯以42 %的收率( E / Z = 1∶1.2)脫氫。

圖53. 通過(guò)Cl-AQ /鈷雙催化實(shí)現(xiàn)脂肪烴的無(wú)受體脫氫

該催化脂肪底物脫氫反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)理如圖54所示。激發(fā)態(tài)的Cl-AQ ( Cl-AQ * )與脂肪族底物之間的HAT可以得到烷基自由基( 106 )和[ Cl-AQ-H] *。前者被鈷肟配合物( 107 )捕獲，得到[ CoⅢ] -烷基化合物( 108 )。隨后，在光照下，108可以發(fā)生均裂[ Co^Ⅲ] -烷基鍵的均裂和鈷介導(dǎo)的β - H原子抽提，生成目標(biāo)產(chǎn)物和Co (Ⅲ)氫化物( 109 )。生成的(109)隨后氧化[ Cl-AQ-H] *形成Co ( II ) H ( 110 )和質(zhì)子化的Cl-AQ ( 111 )。最后，(111)足夠酸性質(zhì)子化(110)生成(107)和Cl-AQ，同時(shí)釋放H2，從而完成催化循環(huán)。

圖54. 提出了脂肪族底物無(wú)受體脫氫的機(jī)理

15. C(sp3)-H氧雜環(huán)的官能化

Kong課題組[36]公開了一種利用( 4 -甲氧基苯基) ( 4- (三氟甲基)苯基)甲酮( CF₃-OME-BP)和鎳雙催化體系，在10 W 390 nm LEDs照射下對(duì)氧雜環(huán)進(jìn)行對(duì)映選擇性C(sp³)-H官能化的方法( 圖 55 )。芳基溴化物與酯或?qū)ξ槐江h(huán)上的氟反應(yīng)，以67 - 75 %的產(chǎn)率和88 - 90 %的ee值得到目標(biāo)產(chǎn)物。電子中性的芳基溴化物4 -溴- 1，1 ' -聯(lián)苯也能以61 %的產(chǎn)率得到88 %的ee值。4 -溴- 2 -氯- 1 -氟苯與四氫呋喃反應(yīng)得到了69 %的產(chǎn)率和88 %的ee值。

圖55. 氧雜環(huán)C(sp3)-H官能化的光- HAT /鎳雙催化

該光催化反應(yīng)與3 -溴吡啶或6 -溴喹啉的光催化反應(yīng)同樣成功，產(chǎn)率為63 - 75 % ( 91 ~ 92 % ee)。一個(gè)復(fù)雜分子衍生的芳基溴化物是該反應(yīng)的活性底物。用四氫呋喃處理活化的烯基溴化物，如3 -溴環(huán)己- 2 -烯- 1 -酮，以60 %的產(chǎn)率和90 %的ee值得到了預(yù)期的產(chǎn)物。最后，使用四氫呋喃- 3 -酮和氧雜環(huán)己烷分別以64 % ( 92 % ee )和56 % ( 62 % ee )的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。

基于密度泛函理論計(jì)算，發(fā)展了一種可能的機(jī)理( 圖 56 )。用10 W 390 nm的LED照射CF₃-OME-BP形成的激發(fā)態(tài)CF₃-OME-BP ( CF₃-OME-BP*)，可以提取無(wú)水乙醇。H原子從四氫呋喃中生成以碳為中心的自由基( 112 )和[CF₃-OME-BP-H] *。L-Ni^II-Cl₂ ( 113 )再氧化[CF₃-OME-BP-H] *得到[CF₃-OME-BP]和L - Ni^I-Cl ( 114 )。中間體(114)可以捕獲(112)生成Ni ( II )(115)。(115)和[ CF₃-OME-BP-H] *之間的SET導(dǎo)致形成Ni ( I ) (116)，并再生CF₃-OME-BP。1- ( 4 -溴苯基)乙酮氧化加成(116)得到Ni ( III )(117)，再經(jīng)還原消除得到目標(biāo)產(chǎn)物和L - Ni^I-Br ( 118 )。

圖56. 提出了惡環(huán)不對(duì)稱C(sp3)-H官能化的機(jī)理

16.α -氨基C(sp³)-H的烷基化

2021年，Vincent和圖萊克等人[37]報(bào)道了Cu (Ⅱ)配合物( CuⅡ- 1 )催化的N -烷基苯胺的直接C(sp³)-H烷基化反應(yīng)，該反應(yīng)結(jié)合了銅催化劑和二苯甲酮光催化劑( 圖57 )。在365 nm光照下，丙烯酸酯、4 -乙烯基吡啶和環(huán)己- 2 -烯- 1 -酮等一系列Michael受體與N，N -二甲基苯胺反應(yīng)，得到了一系列的烴基化產(chǎn)物(收率46 ~ 91 %)。4 -位含氰基或甲基的N，N -二甲基苯胺與丙烯酸乙酯反應(yīng)可以以80 - 92 %的產(chǎn)率得到目標(biāo)產(chǎn)物。值得注意的是，N，N -二甲基吡啶- 4 -胺的反應(yīng)產(chǎn)率為56 %。用CN基團(tuán)或1 -苯基哌啶取代N -甲基苯胺，以45 - 71 %的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物。

圖57. 苯胺的α -氨基C-H鍵的烷基化

我們提出了N -烷基苯胺直接C(sp³)-H烷基化反應(yīng)的機(jī)理( 圖 58 )。激發(fā)態(tài)的BPCO₂ ( ³BPCO₂ )可以氧化苯胺得到[ BPCO₂ ] *和苯胺自由基陽(yáng)離子( 119 )。(119)和[ BPCO₂ ] *之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生自由基( 120 )和[ BPHCO₂ ] *。隨后，(120)被烯烴捕獲得到親電自由基( 121 )。同時(shí)，[ BPCO₂ ] *或[ BPHCO₂ ] *可以將CuⅡ或CuⅠ物種還原為CuⅠ或Cu0，同時(shí)再生BPCO2的基態(tài)。前者與(121)反應(yīng)，生成目標(biāo)產(chǎn)物。

圖58. 提出了苯胺的C(sp³)-H烷基化反應(yīng)機(jī)理

17.總結(jié)與展望

本文綜述了近年來(lái)羰基-光氧化還原/金屬雙催化體系在構(gòu)建碳-碳鍵和碳-雜原子鍵方面的研究進(jìn)展。羰基光催化劑有效地充當(dāng)了單電子反式-Fer試劑，能量轉(zhuǎn)移試劑或氫原子轉(zhuǎn)移試劑促進(jìn)金屬催化的酰化，硼化，環(huán)化，磺?；S位C-H三氟甲基化，炔基化，膦?；?，芳基鹵化物的酯化和醚化，脂肪烴的脫氫，氧雜環(huán)的C(sp³)-H官能化，α-氨基C-H鍵的烷基化，烯烴的氫?；腿M分烯烴加成。特別值得注意的是，發(fā)展了C(sp³)-H的疊氮化或不對(duì)稱芐位C-H氰化的方法，涉及電光化學(xué)氧化和銅/錳催化的組合。盡管在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，但仍然存在一些挑戰(zhàn)，包括開發(fā)新的、高效的光催化劑、改造更具挑戰(zhàn)性的偶聯(lián)伙伴、立體選擇性不對(duì)稱反應(yīng)、使用環(huán)境友好的溶劑和合成先進(jìn)的藥物成分。我們預(yù)期，羰基-光氧化還原/金屬雙催化將成為一種通用的、高效的策略，在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)規(guī)模上構(gòu)建復(fù)雜分子具有廣泛的吸引力。