【有机】Science：钯催化遇到光催化，携手实现羰基化
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“花开两朵，各表一枝”
过渡金属金属催化剂如钯或镍实现了一系列的交叉偶联、C-H键官能化、氢化、还原及氧化反应，大大拓宽了药物及精细化学品的合成策略。通过对基本步骤的调控（Fig. 1A），研究人员在过去的几十年中为每种反应优化了不同催化剂。不幸的是，这类催化循环存在固有的局限性，从而削弱了其效用。这些起因于金属催化剂的变价循环过程，其中有利于一个半循环的催化剂其空间或电子特征通常会抑制另一半循环。因此，平衡这些步骤是反应设计的关键，往往需要降低总催化剂活性或限制底物范围。
（来源：Science）
“钯催化的羰基化反应就处于这样一种两难的境地”
羰基化至少在原理上是从原料组装成普遍存在有价值的羰基化合物的最有效途径之一，其中包括酯、酰胺或酮等。但是，相对于类似的交叉偶联反应，CO配位对钯的氧化加成具有抑制作用，需要提高反应温度，这限制了许多关键底物的使用，如反应活性较低的简单烷基卤化物。这些问题可以通过催化剂设计部分解决。例如，Alexanian 和 Ryu分别使用了富电子的催化剂及紫外光来实现了芳卤羰基化反应，但是这些对氧化加成有利的因素通常消除步骤需要使用强亲核试剂（Fig. 1B）。羰基化反应通常还需要亲核试剂易于与钯缔合以进行还原消除, 针对该部分的研究通常使用大位阻的配体来促进酰卤的形成。但是，这种有利于还原消除作用的催化剂，适用的底物范围便受限于可以轻松进行氧化加成的底物上。
“上帝说，要有光”
许多实验室的开创性研究表明，将可见光催化剂与常规的镍或钯催化剂协同使用可以加快偶联反应中的决定性步骤。这种策略也被应用于烷基卤化物Suzuki偶联的羰基化反应。尽管此类策略扩大了可获得的产品范围，但催化循环中的其他步骤仍然依赖于金属的经典空间和电子效应修饰，并且可能会受到固有高活化能垒的限制。在考虑这些特征时，加拿大麦吉尔大学Bruce A. Arndtsen课题组质疑光是否可能在催化中发挥更大的作用。在最初的实验中，作者首先将研究重点放在可见光与钯通过协同作用促进酰氯的生成上。在蓝光照射的条件下作者考察了各种催化剂体系和光催化剂后发现，Xantphos与[Pd(allyl)Cl]2和{Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbpy)}PF6一起作用时，室温条件下酰氯捕获产物1a的产率为34％（Fig. 2A）。配体筛选结果显示，[(2-二苯基膦基)苯基]醚（DPEphos）活性极强，并且反应几乎定量形成酰胺1a（Fig. 2B）。
（来源：Science）
“光的双重身份”
作者进一步合成了DPEphos连接的Pd(II)-酰基络合物3b-Cl。低温下对其进行辐照, 并在5分钟内近似定量地得到消除产物酰氯2b（Fig. 3A）。除有利于还原消除外，光似乎还可以通过激发Pd(0)络合物(DPEphos)Pd(CO)2而参与氧化加成步骤（Fig. 3B）。作者观察到第二种低产率的产物形成，其是由邻甲苯基自由基与C6H6溶剂引起的。Pd(0)配合物7是在酰氯消除后形成的，在芳基碘化物存在下可快速地进行逆氧化加成，从而与6c一起形成3c-I（Fig. 3C）。这些结果与先前报道的光致单电子从Pd(0)转移至芳基碘化物从而降低了反应所需活化能的作用类似。
（来源：Science）
“挑战不可能”
从合成的角度来看，这种基于可见光的催化体系提供了一种在环境温度下对具有挑战性的亲电试剂和亲核试剂进行羰基化的有效途径。该催化策略适用于一系列芳基碘化物以及具有潜在配位基团的底物。迄今为止，芳基溴需要高温才能发生羰基化生成酰氯（100至120 °C），而在该策略下低至-3°C的温度下也可原位生成酰氯。这种光驱系统还实现了独特的羰基化途径，将简单的烷基卤化物转化为有价值的烷基酰氯产物。由于这些转化中的每一个都会导致酰氯的形成，因此可以同时将大量亲核试剂加入该化学反应中。在亲核试剂与反应条件不兼容的体系中，可以将酰氯积累后添加亲核试剂。后者可以得到具有挑战性的底物的偶联产物（1y-1aa，1ii），以及结构上更精细产品（萜烯，1kk；β-乙缩醛，1ff；甾体酰氯，2i）的产生，这些结构没有一个可以通过经典的羰基化方法获得。
（来源：Science）
（来源：Science）
“To be continue”
该工作报道了一种羰基化偶联反应的传统钯催化剂的替代策略，其中可见光的参与以低势垒驱动氧化加成和还原消除。考虑到羰基化的底物范围以及该催化策略在催化循环中的关键作用，该催化体系高效灵活，对合成领域具有重要的价值。相关成果发表于Science（DOI: 10.1126/science.aba5901）。
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