基于多元策略的可见光诱导电子转移反应新模式

Organic photochemistry, especially visible light photoredox catalysis has evolved to one of major synthetic tools. However, visible light photoredox catalysis is enabled by outer sphere electron transfer between excited state the photocatalyst and the substrate. This strategy highly relies on the redox potential of the photocatalyst and the substrate. Redox inert molecules are difficult to be activated by this strategy. Due to the importance of organic photochemistry and in order to overcome the limitation of current photoredox catalysis, we plan to extend the synthetic potential of organic photochemistry by merging of photoredox catalysis with other well-established synthetic methods. We will focus on relay visible light photoredox catalysis, cooperation of photoredox catalysis with radical transfer, dual photoredox and transition metal catalysis, as well as visible light-induced reactions enabled by inner sphere electron transfer. Mechanism studies will be conducted assisted by theoretical calculation and detection and trapping of intermediates. This project will extend the synthetic potential of photoredox catalysis, discover new reaction modes, realize various C-H functionalization and develop new organic reactions for the synthesis of structurally complex and biologically important molecules.

有机光化学，特别是可见光氧化还原催化，是一种运用广泛的合成手段。但目前可见光氧化还原催化反应主要是通过激发态光催化剂与底物之间的光诱导外层电子转移实现的，强烈依赖光催化剂和底物的氧化还原能力，对于氧化还原惰性的底物很难活化。本项目针对可见光氧化还原的局限性，以“多元”为思路，将光氧化还原催化与现有其他成熟的合成策略相结合，建立多种多元合成策略，重点研究接力光氧化还原催化策略，光氧化还原催化与自由基迁移相结合，光氧化还原与过渡金属协同催化，基于内层电子转移的光诱导电子转移等新策略。通过对反应中间体的检测、捕捉，结合量子化学理论计算，对反应机理进行深入研究。项目的实施将拓展光氧化还原催化化学，发现新的反应模式，实现多类惰性化学键的直接官能化，发展新型的有机合成反应，为生物活性分子特别是杂环化合物合成的提供高效绿色的合成方法。

本项目针对可见光氧化还原的局限性，将光氧化还原催化与现有其他合成策略相结合，建立多种多元协同策略，发展了新的协同催化反应。 .主要研究内容如下：.1）光氧化还原催化与有机小分子协同的新反应研究。.我们系统研究了可见光与有机膦、可见光与有机硫、可见光与手性胺协同催化的有机转化。其中可见光与有机膦协同的羧酸碳氧键活化新模式可用于镇静安眠药唑吡坦、高血脂症药物非诺贝特等药物分子的高效合成。德国Paul Knochel教授在Synfacts (2020, 16, 1069)上点评了相关工作的重要性，认为“该方法提供了药物分子感兴趣的复杂酮的合成方法”。.2） 光氧化还原催化和自由基迁移协同的新反应研究.我们重点研究了光氧化还原催化诱导的远程碳(sp3)-氢键自由基迁移反应，实现了远程碳(sp3)-氢键的选择性芳基化、烯基化、三氟甲硫基化、氘代等反应。其中碳(sp3)-氢键的三氟甲硫基化和氘代官能化受到高度评价，有希望用于新药研发。.3） 可见光与过渡金属协同催化的新反应研究.我们系统研究了可见光与钯、可见光与镍、可见光与铜、可见光与锰、可见光与铁、可见光与金等一系列过渡金属的协同催化反应，同时结合不对称催化实现了多个新型不对称催化合成。其中可见光与钯、可见光与铜协同催化的不对称烯丙基化反应可用于手性合成模块的构建，被多个杂志做亮点介绍。.4）基于电荷转移复合物和接力光氧化还原催化的新型自由基型反应. 我们通过电荷转移复合物策略和接力光氧化还原催化策略，实现了多种杂环类以及稠环类化合物的合成。我们同时也报道了可见光诱导的烯烃双官能化、烯烃选择性异构化、自由基交叉偶联等反应。