可见光/镍协同催化体系在有机合成中的应用

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过渡金属催化的交叉偶联反应的发展为有机合成提供了更多高效的合成路线，其中Suzuki、Heck、Negishi、Stille、Sonogashira等偶联反应，给C(SP²)-C(SP²)、C(SP)-C(SP²)键的构建提供了成熟的方法，为复杂分子的合成提供了更多可行的逆合成分析路线。然而，在偶联反应中，金属交换步骤通常都是决速步，不同杂化形态碳原子的交换速率为C(SP)>C(SP²)>C(SP³)，使得传统过渡金属催化的偶联反应中直接构建C(SP²)-C(SP³)乃至C(SP³)-C(SP³)非常困难。较于传统过渡金属催化下的转金属化过程，可见光引发的单电子中间体转金属化速率C(SP³)>C(SP²)>C(SP)，在可见光催化体系中C(SP³)更易发生偶联，将光催化体系引入传统过渡金属催化的偶联反应中，就能较好的解决偶联反应中C(SP²)-C(SP³)甚至C(SP³)-C(SP³)键较难构建的问题。

光/镍协同催化偶联反应与传统钯催化suzuki偶联反应对比

(原图引用自：Science, 2014, 345,433)

相较于传统偶联反应中最常用的钯催化剂，镍与钯在元素周期表中处于同一族，具有相似的催化活性，但镍的储量丰富且价格低廉。更重要的是，镍自身具有许多特征，使其不仅仅作为钯的替代物，如更小的原子半径，更强的亲核性，比钯更易发生对烷基-卤键的氧化加成，形成的[L]Ni[alkyl]中间体比钯催化的反应更难发生β-H的消除，从而减少副反应。同时，镍催化反应比钯催化反应更易发生单电子转移，这些优势使得镍在可见光/金属催化的双催化体系引起了广泛的关注。可见光催化体系通常经历还原淬灭循环、氧化淬灭循环或能量转移(ET)历程,其不仅具有非常良好的氧化还原性能，还可以完成能量转移。在双催化体系中,可见光催化既可以通过单电子还原或单电子氧化过程推动过渡金属镍催化,又可以通过能量转移促进镍催化循环,过渡金属镍和可见光起到协同催化作用。

最早在2011年Sanford课题组将光/金属催化体系应用在偶联反应中，实现了C(SP²)-C(SP²)键的构建(a)，引起了广泛关注。到2014年，Molander课题组率先在Science上发表了镍/光催化剂协同催化的C(SP²)-C(SP³)偶联反应，反应条件温和，室温下反应，同时结合G.C.Fu课题组的手性Box/镍催化剂可以实现不对称偶联(b)。同在2014年，Macmillan课题组报道了光/镍协同催化的脯氨酸和卤代苯的脱羧偶联反应，发表在同期的Science上，至此，光致氧化还原/镍协同催化成为了近年来有机化学领域最火热的研究方向之一。

(a)J.Am. Chem. Soc. 2011,133, 18566.

(b)Science, 2014, 345,433.

(c)Science,2014,345, 6195.

镍催化剂

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2015年，Macmillan课题组又在Nature上发表文章，报道了他们通过光/镍协同催化体系催化烷基醇和芳基溴代物偶联反应的突破，伯醇、仲醇甚至是水，都可以反应得到相应的芳基醚或酚，产率良好。值得一提的是，常规偶联反应的条件下，该反应收率为0，正如Macmillan本人所说，“只需要添加一些光催化剂并打开灯，产率就从0变为93%。”