Chem. Asian J. ：光氧化还原介导的Ir(III)/Ni(II)/奎宁催化C(sp3) ‒C(sp2) 交

C‒C键以及C‒X（X=N、S、P）键骨架广泛存在于生物，药物，工业等领域。近年来，光催化与过渡金属协同催化作用，已经成功地构建了各种C‒C以及C‒X键。其反应机制包括两种：氧化还原机制以及能量转移机制（图1）。在氧化还原机制中，一方面光催化剂可以与多种底物直接反应，生成活性自由基物种参与后续反应过程，称之为自由基机制（图1 A1）；另一方面光催化剂可以通过SET(单电子转移)调节过渡金属的价态，称之为价态调节机制（图1 A2）。在能量转移机制中，激发态的光催化剂与基态的过渡金属催化剂进行能量转移过程，有机合成中通常为德克斯特（Dexter）电子交换机制，生成基态的光催化剂与激发态的过渡金属催化剂。随着该种催化策略的发展，利用光介导的三催化体系已成为在温和条件下实现C‒C交叉偶联反应的有效方法。三催化体系通常包括光催化，过渡金属催化以及有机催化循环。该种催化策略在实验上已经取得了大量成果。

图1.可见光介导的双金属协同催化机制

图2. (a)N-Boc吡咯烷与甲基-4-溴苯甲酯在IrIII/NiII金属光氧化还原催化下的C(sp³)‒C(sp²)交叉偶联；(b)本工作所研究的催化剂

一个极具代表性的例子是Macmillan课题组所报道的光介导的Ir/Ni/3-乙酰氧基奎宁催化杂芳基溴与N-Boc吡咯烷进行C(sp²) ‒C(sp³)交叉偶联反应，反应产率为85%，而当奎宁无吸电子取代基时反应产率大大降低（Science 2016, 352, 1304–1308）。然而，其反应机理尤其是有机碱奎宁的作用仍不清晰。近日，东北师范大学关威教授和朱博副教授课题组对于上述反应进行了理论研究，揭示其反应机制，阐明有机碱的作用以及解释其取代基效应，为设计该催化体系提供一定的理论基础。

图3. 镍催化循环(Ni^II ‒ Ni^I ‒ Ni^III ‒ [Ni^III]^⊝‒Ni^II)

图4. [Ni^III]^⊝中间体的自然键轨道

具体而言，DFT计算发现该反应为自由基机制，由还原猝灭的光氧化还原循环(Ir^III ‒*Ir^III ‒Ir^II ‒Ir^III) 以及Ni催化循环(Ni^II ‒ Ni^I ‒ Ni^III ‒ [Ni^III]^⊝‒NiII)和3-乙酰氧基奎宁介导的HAT（氢原子转移）催化循环组成（图3）。其中有机碱作为氢原子转移过程的催化剂，选择性的攫取N-Boc吡咯烷底物α-C位的氢原子，生成相应的自由基参与后续的反应过程。通过自然键轨道（NBO）证实了各个镍中间体的氧化态，并发现在反应过程中形成了不寻常的[Ni^III]^⊝化合物（图4）。此外，当无吸电子基团奎宁作为催化剂时，镍催化循环为Ni^II ‒ Ni^I ‒ Ni^II ‒ [Ni^III]^⊝‒Ni^II，该反应路径能垒过高，无法在实验条件下克服，与实验事实一致。

论文信息

Theoretical Mechanistic Study of C(sp³)‒C(sp²) Cross-Coupling by Photoredox-Mediated Iridium(III)/Nickel(II)/Quinuclidine Triple Catalysis

Shuang Wang, Runhan Li, Zhongmin Su, Bo Zhu,* and Wei Guan*

文章的第一作者是东北师范大学博士研究生王爽。

Chemistry – An Asian Journal

DOI: 10.1002/asia.202300283