光催化过程中一定能量的光子被吸收后可以诱导电子在分子或固体能带中重新分布，例如金属与配体间的电子转移以及半导体分子/固体价带和导带间的电子跃迁。所得到的激发态物种具有基态反应过程无可比拟的特点，尤其是这种激发态下的自由基反应过程极大促进了一些惰性基团的活化，利用这一特性，近日来光催化在有机合成领域取得了诸多突破性进展，使得一些难以实现的反应过程变得可能。

1. Nature: 北卡罗来纳大学教堂山分校报道高还原性光催化剂的还原卤代芳烃和取代胺分子

光引发电子转移（photoinduced electron transfer, PET）是目前应用于有机合成反应中的一种技术，通过对光的吸收实现电子转移反应。这种机理在多种领域中有重要应用，比如天然产物合成，光伏材料和光敏感材料等。目前，PET在光催化还原反应被成功发展应用于有机自由基反应中，这种合成方法被发现在学术和工业界都可以有重要应用。目前比较常见的光催化剂通常是基于Ru, Ir, Cu, Cr金属的配合物。

基于不含金属的中性有机自由基分子进行的光催化反应相关报道较少，这是因为中性有机分子激发后产生双激发态，并且这种双激发态的寿命较低（明显低于广泛使用的过渡金属配合物生成的单激发态寿命）。北卡罗来纳大学教堂山分校的Nicewicz A. David等发现吖啶（acridine）自由基展现了高达-3.36 V vs SCE的还原电极电势（和Li的还原性类似），并在卤代芳烃、对苯磺酰基胺还原为C(sp²)-H、N-H键的反应中有较好的反应活性。

本文要点：

（1）研究了Mes-Acr⁺BF₄^- 催化剂（光吸收峰：375 nm，420 nm。半波电位为-0.6 V vs SCE）的氧化态和还原态。Mes-Acr⁺BF₄^- 在450 nm光作用中被氧化，得到激发态的[Mes-Acr⁺]*，还原态电极电势为+2.15 V vs SCE。390 nm光中实现还原，得到激发的吖啶（acridine）自由基，氧化电位为-3.36 V。Mes-Acr⁺BF₄^-的氧化态和还原态之间的电位差高达5.51 V。

（2）对芳基卤化物的光催化还原反应进行测试，发现Mes-Acr⁺BF₄^-催化剂作用实现了对溴化物和氯化物实现还原为C-H键。该反应中需要使用二异丙基乙胺作为助催化剂，通过二异丙基乙胺向光催化剂中转移一个电子，生成氧化的Mes-Acr·，在光激发作用中，实现了具有高还原性的氧化状态（E_ox=-3.36 V），并能够将卤代芳烃还原为C-H键。该反应对苯基上的甲基、羧酸基、三氟甲基、氰基，和部分吡啶环反应物有兼容性。

对Ts（对甲氧基苯磺酰基）取代的二级胺具有还原性，能够将N-Ts键还原为N-H键。该反应对多种二级N原子（芳基N、烷基N）有中等到较高收率。

Ian A. MacKenzie, Leifeng Wang, Nicholas P. R. Onuska, Olivia F. Williams, Khadiza Begam, Andrew M. Moran, Barry D. Dunietz & David A. Nicewicz*

Discovery and characterization of an acridine radical photoreductant.

DOI：10.1038/s41586-020-2131-1

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2131-1

Nature （News & Views）: 捷克布拉格化学与技术大学总结强还原性的光催化剂

分子吸收光能后，能够变为反应活性较高的激发态，通过这种方法，光能能够激发，并进行分子转化反应，而且这种过程是热催化反应难以实现的。北卡罗来纳大学教堂山分校的Nicewicz A. David等发现了一种光激发产生的高还原性分子物种（还原性与最高还原性的碱金属类似）。捷克布拉格化学与技术大学Radek Cibulka对此进行了总结和评述。

光催化反应在有机化学中具有特别高的意义，是一种重要的合成方法。在光还原有机反应中，通常经由光生电荷转移过程（photoinduced electron transfer, PET）进行，反应物能变为高反应性的自由基，随后经过一系列反应得到最终产物。这种反应过程通常在温和条件中即可发生，这是因为通过光的激发作用能超越反应能垒。目前光催化剂的还原能力一般难以达到碱金属的还原性级别，因此在一些难以发生的反应中，碱金属依然被广泛使用，虽然碱金属有一定的毒性、并且会生成大量副产物（反应选择性较低）。

有机卤化物在有机催化反应中用处较广泛，其中氯化物是首选的卤化物，但是氯化物难以实现还原反应，这是因为其还原电位较高。比如氯苯的还原电极电势为-2.78 V vs SCE，通过可见光作用进行还原氯化物之间未有报道，这是因为可见光能量较低。10-苯吩噻嗪（10- Phenylphenothiazine）是目前还原性最高的光催化剂，但是其还原电位仅为-2.1 V vs SCE，是无法将氯苯进行还原的。目前，使用两步PET方法能够解决这种问题。在这种两步反应过程中，首先通过牺牲型还原剂被光催化剂还原的过程，生成自由基。随后被另外的光子激发，得到激发态的自由基物种，这种激发态的自由基物种具有较高的还原性。例如，罗丹明 6G的激发态自由基的还原电势为-2.4 V vs SCE，能够还原氯化物和溴化物。

本文要点：

（1）Nicewicz, D. A.等报道了将Mes-Acr⁺转化为高还原性的催化剂。Mes-Acr+被可见光激发，随后被反应底物还原，转变为Mes-Acr·自由基。作者对这种中性的自由基进行表征，发现对可见光的吸收为350~400 nm和450~550 nm。当中性自由基在390 nm光激发时，其产生了非常强的还原性，还原电极电位为-3.36 V vs SCE。作者认为这种高还原能力产生的原因是激发后的自由基内部的电荷转移。这种使用激发态的中性自由基在光催化反应中极为少见，这个催化剂在几种还原反应中都得以很好的应用。作者还发现这种催化体系是可以应用于大规模反应中，而不仅仅是实验室的小规模合成反应中。

（2）该项工作对开发具有强还原能力的分子通过类似过程展现强反应催化活性指明了方向。可以想象，通过这种强还原光催化反应，可能发展新型的芳基化反应，甚至是Birch还原反应（通常需要碱金属还原剂）。

Radek Cibulka*. Strong chemical reducing agents produced by light Nature 2020, 580, 31-32. 

DOI: 10.1038/d41586-020-00872-1

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00872-1

2. Nature: 剑桥大学大神级科学家带你玩转光催化！

三级脂肪胺具有独特的生理活性，但是传统的合成方法中步骤繁琐，从简单的原料出发合成复杂叔胺具有重要意义。通过将烷基加成到烷基-亚胺中能够降低反应的复杂性，但是实施有一定难度。Petasis反应是应用二级胺和羰基反应生成亚胺物种，并和硼酸发生反应，生成叔胺，但是Petasis反应中的底物具有较大的局限性（需要使用有机硼亲核试剂）。

在反应中加入富电子的硅烷(Me₃Si)₃Si-H是比较重要的方法，富电子硅烷具有快速HAT（hydrogen-atom transfer）反应性，能够和三级胺分子配合反应，但是和反应物中的烷基自由基的反应性较弱。并且(Me₃Si)₃Si-H和胺反应后生成(Me₃Si)₃Si·自由基并与原料中的碘化物继续反应。有鉴于此，剑桥大学Matthew J. Gaunt课题组通过二级胺、醛、卤化物进行三组分光催化反应，实现了以中等收率获得广泛叔胺产物，三种原料都具有广泛的选择性，以解决叔胺分子合成的步骤复杂性。

本文要点

要点1. 目前比较好的叔胺合成方法是羰基还原胺化反应：首先通过二级胺和醛分子之间的缩合反应，生成亚胺离子，随后通过氢化物还原。随后经过进一步的发展，实现了通过原位反应产生亚胺物种实现胺化反应。目前羰基的烷基化胺化过程的反应在70年来未有相关报道。 

要点2. 使用甲基丁胺（1倍量）、丁醛（2倍量）、异丙基碘（3倍量）三种原料作为反应物，加入2倍量的三（三甲基甲硅烷基）硅烷、TBS-OTf，在室温条件中通过蓝光LED进行光催化反应。优化该反应得到76 %的收率。对41种不同结构的有机胺底物进行反应，大部分反应能得到中等收率。对48种不同结构的醛底物进行拓展，大部分反应能得到中等收率。

要点3. 测试了有机碘原料的反应性。叔基碘化物展现了较高的反应活性。发现在反应中加入5 mol % 2-碘-2-甲基丙酸乙酯作为自由基引发剂时，能够实现对多种一级烷基碘化物反应。此外底物拓展反应发现该方法同样适用于具有位阻的叔胺合成反应中。在底物中近端有缺电子官能团时，反应的产率偏低。作者认为富电子的硅烷分子会和缺电子的烷基之间进行竞争性的HAT反应，并降低了其和亚胺中间体的反应速率。

要点4.二级有机胺首先和醛分子反应生成亚胺物种。(Me₃Si)₃Si-H和碘化物在光催化条件中生成(Me₃Si)₃Si·，和有机卤化物反应，生成相应的碳自由基。之前生成的亚胺和碳自由基发生加成反应，并被(Me₃Si)₃Si-H还原，生成H化的叔胺，随后被碱中和，得到叔胺产物。

要点5. Matthew J. Gaunt教授课题组在Nature上发表了一种操作简单、机理独特的催化过程，实现了二烷基胺、羰基化合物与烯烃的三组分光催化偶联。此外，Gaunt教授还在JACS上发表了通过环己酮和γ-取代的烯烃胺分子合成螺环N取代分子。 

该方法是一种光催化反应，但是不使用过渡金属光催化剂，这种通过反应物作用引发的光催化反应可能对光催化反应的新发展起到一定的指引作用。 

Roopender Kumar, Nils J. Flodén, William G. Whitehurst, Matthew J. Gaunt*. A general carbonyl alkylative amination for tertiary amine synthesis. Nature, 2020, 

DOI: 10.1038/s41586-020-2213-0

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2213-0

3. Nature Chemistry（News & Views）: 巴塞尔大学Wenger总结LMCT作用的锆光敏剂应用

 荧光金属复合物在光吸收，能量转化，光催化反应中体现了重要应用。荧光复合物通常使用贵金属作为中心原子，通过对非辐射复合作用进行抑制，体现长激发态寿命。这个过程通常是经由金属-配体电荷转移过程实现（MLCT，metal-to-ligand charge transfer），在这个过程中金属上的电子转移到配体分子的轨道中。将中心贵金属变为其他大量存在、价格便宜的金属，是个比较好的想法，但是这些金属配合物的光物理过程是完全不同的。这些金属配合物通常体现出非辐射退激过程，因为这些非贵金属中的d轨道中为非完全填充，并因此展现d-d跃迁金属中心激发态，不会展现MLCT作用。只有当金属中心位点体现为d¹⁰或者d⁰的复合物会体现出较强的MLCT作用。d¹⁰体系的金属有机配合物被广泛的研究，但是d⁰体系的相关研究不是特别多。

西弗吉尼亚大学Carsten Milsmann合成了一种锆（Zr）复合物，体现了非常好的光谱学性质，并可能对新型光活性配位化合物的开发起到很好的推动作用（Nat. Chem. (2020) DOI: 10.1038/s41557-020-0430-7）。瑞士巴塞尔大学Wenger总结LMCT作用的锆光敏剂应用。

本文要点：

（1）通常为了稳定d⁰体系的高氧化态（激发态），需要利用配体的强给电子能力，进而实现配体-金属电荷转移（LMCT，ligand-to-metal charge transfer）激发态。目前基于LMCT的光激发作用很难和MLCT的光激发作用相比。最近Milsmann等实现了Zr^IV中心金属配合物的荧光体系，这个体系在光还原反应体系中有比较好的前景，但是这个复合物中的稳定性较弱，因为该复合物容易发生水解（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13115–13118）。随后通过对配体的结构进行调控，Zr^IV的稳定性得以提高，他们发现该复合物中经由TADF（thermally activated delayed fluorescence）过程产生荧光（Nature Chemistry, 2020, DOI: 10.1038/s41557-020-0430-7），并提升了光催化性能。

（2）这种TADF在有机发光二极管中体现了很好的应用前景，因为Zr^IV分子展现了毫秒级的三重激发态。MLCT和LMCT的激发光电荷转移过程恰好方向相反，因此在光催化反应过程中可能起到不一样的效果。因此，这种基于LMCT作用的分子通过和传统的MLCT作用分子相互配合，应用在染料敏化太阳能电池/光电催化器件中。此外，这种LMCT作用Zr^IV分子在有机光催化转化反应中体现了较好催化效果（应用在三氟甲基化反应、还原脱卤反应、自由基加成反应）。

Oliver S. Wenger*. A bright future for photosensitizers. Nature Chemistry (2020)

 DOI: 10.1038/s41557-020-0448-x

https://www.nature.com/articles/s41557-020-0448-x

4. Nature Chemistry: 普林斯顿大学David W. C. MacMillan报道Na₄[W₁₀O₃₂]和CuCl₂光-金属双催化CF₃反应

在有机分子中加入CF₃基团能够显著提高化合物的生物活性（渗透性、代谢稳定性、蛋白质结合亲和力）。目前，开发对芳基和烷基合适的三氟甲基化反应过程目前仍然非常重要。目前发现Minisci反应已经在多个芳基C(sp²)-H反应中得以实现，但是该反应无法实现烷基C(sp³)-H键的C-CF₃反应（烷基自由基稳定性差，难以反应）。金属催化-光催化协同催化体系在多种催化反应体系中展现了非常高的反应活性，比如羧酸、醇等作为C(sp³)基偶联试剂。在这类反应中，通过Ni催化自由基交叉偶联反应实现了烷基的C-CF₃反应。此外，人们发现Cu金属在捕捉自由基上具有非常高的活性，而且对传统上难以发生的还原消除反应同样具有高反应活性。

普林斯顿大学的David W. C. MacMillan等报道了一种普遍可用的C-H键活化策略用于构架-CF₃官能团。该方法中通过光催化过程中的钨Na₄[W₁₀O₃₂]和CuCl₂配合，实现金属催化-光催化协同催化过程。这种金属催化-光还原（metallaphotoredox）策略实现了烷基C-H键以及苄基C-H键的活化，并转化为C-CF₃。该方法中使用的三氟甲基化试剂（Togni reagent）大量存在，方便可得。

本文要点：

（1）反应在H₂O/MeCN (9:1)溶剂中进行，加入1.2倍H₂SO₄和1.25倍Togni试剂，在室温条件进行反应。对烷基底物进行了拓展。发现该反应对5~7元氮杂环烷烃、链状有机胺、刚性4元环烷烃都体现了反应兼容性（中等收率）；对苄基底物进行了拓展。发现该反应对氮杂环、苄基取代（胺基取代、酯基取代）的有机分子都体现了兼容性（中等收率）；对利多卡因（Lidocaine）、普洛卡因（Prilocaine）、塞来昔布（Celecoxib）、香紫苏内酯（Sclareolide）、加巴布丁（Gababutin）、托塞米德（Torsemide）等复杂分子都实现了低收率到中等收率。

（2）反应机理研究

反应使用390 nm激发光实现了高活性的[W₁₀O₃₂]^4-激发态，并通过HAT（抓氢反应）过程与反应物中的C-H键反应，生成还原态的H⁺[W₁₀O₃₂]^5-。在CuCl₂的催化作用下，生成了Cu^II-CF₃中间体，随后捕捉之前断裂C-H后生成的烷基自由基，通过还原消除过程，生成CF₃化的烷基产物。

对反应条件进行优化，尝试了Cu之外的Lewis酸性金属（Fe、Zn、Sc、Gd、Y、La、Eu、Hf）和低价态金属（Ti³⁺、Cr²⁺、Mn²⁺、Co³⁺、Ni²⁺）都只能体现极低收率（< 3 %）。通过¹⁹F NMR监测到Cu^III(CF₃)_x中间体物种。电子顺磁共振方法测试了反应过程中的Cu价态变化情况。

Patrick J. Sarver; Vlad Bacauanu; Danielle M. Schultz; Daniel A. DiRocco; Yu-hong Lam; Edward C. Sherer; David W. C. MacMillan*. The merger of decatungstate and copper catalysis to enable aliphatic C( sp 3 )–H trifluoromethylation, Nat. Chem., 2020.

DOI: 10.1038/s41557-020-0436-1

https://www.nature.com/articles/s41557-020-0436-1

5. Nature:光催化合成策略和Cu催化剂在新型药物合成中的重要应用

美国普林斯顿大学的David W. C. MacMillan教授通过将铜催化+光催化协同反应构建C-N键中应用在药物分子合成关键步骤中，开拓了药物合成的反应路径。

该反应对药物骨架双环[1.1.1]戊烷（BCP）的各种官能团修饰上非常有效。该反应对包含双环[1.1.1]戊烷（BCP）的相关药物分子结构优化有重要应用前景。该反应对各种复杂含杂原子的官能团都有较好的兼容性。

Xiaheng Zhang, Russell T. Smith, Chip Le, Stefan J. McCarver, Brock T. Shireman, Nicholas I. Carruthers, David W. C. MacMillan. Copper-Mediated Synthesis of Drug-like Bicyclopentanes. Nature, 2020 DOI: 10.1038/s41586-020-2060-z

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2060-z

来源：催化计