光／鎳雙重催化的交叉偶聯SET Cross-Coupling by Photoredox/Nickel Dual Catalysis

01-28

前言：這是我開通專欄以來的第一篇文章。開通該專欄的目的，一是因為我有看文獻做筆記的習慣，因此就有想把筆記做總結的衝動。二是目前很多化學領域的公眾號推送的文獻都比較粗淺，點到為止，讓你讀得不是很過癮。我想通過自己的拋磚引玉，能過在知乎上與大家一起探討有機化學領域的一些進展，我希望能用簡短精鍊的文字來概述一個領域的幾個突破性成果。本專欄歡迎大家的批評指正，也歡迎大家的投稿與指導。很多領域我並沒有涉足，例如今天講的這個領域，因此也希望能聽到行家的經驗意見。

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背景：近幾年有機領域最炙手可熱的領域是什麼？這個問題有很多的答案，但光致氧化還原催化（以下為方便用英文photoredox代替）絕對其中之一。有些人質疑該領域實用性不高，灌水居多，有些人將其捧得很高。今天簡單探討一下該領域在最近兩年興起的光致氧化還原催化／鎳雙重催化交叉偶聯。這部分研究工作主要是由普林斯頓的Macmillan課題組，Doyle課題組與賓大的Molander課題組完成的。

了解該領域首先要對光催化有基本的認識。photoredox脫胎於基礎的氧化還原。回憶電池的半反應式，我們可以知道如果X>Y，則該反應A+D=C+B是自發的。

在有機反應中，這是同理的。有機反應有許多自由基反應就是通過單電子引發的。在反應體系內引入一個氧化劑或者還原劑，即可實現一個單電子氧化或者單電子還原的過程。（SET還原例如Kagan－Molander反應，SET氧化例如Minisci反應）

而光催化則進一步優化了氧化還原的條件，如下圖所示。沒有光催化之前，氧化還原試劑的HOMO低（不利氧化），LUMO高（不利還原）。而光催化後形成了兩個單電子軌道，提高了HOMO，降低了SOMO，大大優化了氧化還原的條件。

在金屬有機快速發展之前，有機染料是一類光催化劑，然而有量子產率低，不穩定的缺陷。一系列金屬配合物的光催化劑被製作了出來，他們易製備，結構穩定，性質穩定，便於操作，吸收波長固定，同時便於調整配體以優化條件。以下四個光催化劑最為常用。它們是以Ru（II）或Ir（III）為主d6金屬的pi酸配體配位的八面體配合物。

它們催化的機理值得說明。在基態時6個電子均在t2g軌道上，光致激發一個電子到配體的pi反鍵軌道上（MLCT），形成一個單線態，單線態發現系間躍遷得到一個壽命長的三線態。這個三線態的配合物既可以做氧化劑，又可以做還原劑。以Ru(bpy)3為例，只要是還原電位低於0.77V的底物都可以被它氧化，只要是還原電位高於－0.81V的底物也都可以被他還原。

以上就是photoredox的基礎知識。有興趣深入了解的可以看Macmillan2013年的一篇review：C. K. Prier,nD. A. Rankic, D.nW. C. MacMillan, Chem.nRev.n2013,n113n,n5322

Photoredox/Ni dual catalysis:

將光催化劑與過渡金屬結合的偶聯反應之前就有Sanford和Glorius等人報道。（見J. Am. Chem. Soc. 2011,n133,n18566 ），而Akita課題組報道了苄基三氟硼酸試劑在光催化下可以被單電子氧化。這些有機三氟硼酸試劑的還原電位在0.67V－1.10V之間（乙腈溶劑，ferrocene參比），因此是有希望被Ir催化劑氧化的。因此在2014年，Molander課題組率先發表了這篇Science：

該反應是Photoredox／Ni雙重催化的過程。三線態的Ir具有強氧化性，能夠氧化苄基三氟硼酸試劑，而產生的苄基自由基加到二價鎳上生成三價Ni更易還原消除。還原消除後的Ni(I)也可以被Ir(II)還原。從而實現催化循環。該反應溫和，室溫反應。而在此條件下，Suzuki偶聯是不反應的。因為產生自由基的選擇性Csp3>Csp2。同時結合GC Fu的手性Box／Ni催化劑可以實現不對稱的偶聯。之後Molander課題組還進行了一系列二級烷基三氟硼酸試劑的偶聯（J. Am. Chem. Soc.n2015,n137,n2195 ）以及機理的計算研究（J. Am. Chem. Soc.n2015,n137,n4896 ）

在同一年，Doyle課題組與Macmillan課題組共同報道了另一個Photoredox／Ni雙重催化（Sciencen2014,n345,n6195）。Macmillan的一部分工作即光催化脫羧產生自由基，而Doyle則長期在Ni催化偶聯中進行研究。

該反應的機理與Molander基本相似，區別在於，被氧化的基團從三氟硼酸試劑變為了Boc保護的脯胺酸。Macmillan以此進行了一系列的偶聯反應研究，機理一樣，只是換了被氧化的底物，在此略過不表。（灌水你懂的）

在2015年，Molander課題組還報道了用有機高價硅酸鹽試劑做被氧化的底物的交叉偶聯反應（J. Am. Chem.nSoc., 2016, 138, 475），這個工作最早是同年由一個法國課題組報道的（Angew.nChem., Int. Ed. 2015, 54,n11414）。Molander課題組優化了有機高價硅酸鹽試劑的合成方法，同時使用了條件更加溫和的Ru光催化劑。有機高價硅酸鹽試劑的還原電位相比三氟硼酸試劑更低，更容易被氧化。同時一級碳也可以被氧化進行偶聯反應。

總結：以上是該領域主要的幾個研究方向，此外，還有一些工作報道了Photoredox／Ni雙重催化在C-O偶聯（Nature,n2015,n524,n330，機理不同，氧化的是二價Ni）和C－S偶聯的工作（J. Am. Chem. Soc,n2016,n138,n1760.）這些反應的機理類似，均是歷經光催化劑（如Ir(III)）被激發成三線態將一個自由基源底物氧化（產生一個自由基和Ir(II)），同時Ni氧化加成芳基碘化物形成二價鎳。產生的自由基加成到二價鎳上形成三價鎳促進還原消除。（在加成的過程中可以控制手性）還原消除後的一價Ni可以被Ir(II)還原成零價Ni繼續進行氧化加成，並重新產生基態的Ir(III)。

光／Ni催化的好處在於，可以實現Csp3－Csp2的偶聯，尤其是不對稱的偶聯。同時這類反應很高效清潔，基本在室溫下進行，反應的普適性也很好。該領域現在是Macmillan組和Molander組的研究重點，隨便一出就是一篇JACS，angew及以上的文章。讓我們共同期待其更新的發展。

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