Science述评：光反应的新生力—PPh3&NaI光氧化还原体系

中科院青促会特邀评论员 陈品红

（中科院上海有机化学研究所）

评述论文：Photocatalytic decarboxylative alkylations mediated by triphenylphosphine and sodium iodide（Science 29 March 2019, vol 363, issue 6434）

光反应是大自然通过叶绿素等光合色素分子将太阳能转化为化学能重要过程，其中涉及光吸收和电子传递等重要步骤。也是目前有机化学领域的研究热点之一，反应中利用光子能量促进分子达到能量激发态并生成高活性的中间体，从而快速获得通过基态化学难以合成的产物。由于化学键键的断裂往往需要很高的能量，早期的光催化反应大多在能量较高的紫外光照下进行，而普通的太阳光却很难利用起来。受大自然光合作用的启发，化学家们发展了大量光氧化还原体系努力模仿这一过程，并将此应用到有机合成中，涌现了一系列可见光催化的单电子转移反应1。

提到光氧化还原体系，我们不由得想起文献中常见的贵金属络合物和结构复杂的有机染料，例如Ru(bpy)₃Cl₂,fac-Ir(ppy)₃，吖啶盐等（图1）。尽管基于这些光敏剂实现了很多极具合成价值的反应，但是由于它们价格昂贵，一定程度上限制了这些反应的工业化应用。开发新颖，廉价的光催化剂或者光氧化还原体系是光化学发展的必然趋势。光催化剂的作用机制是通过吸收一定波长的可见光，随后形成分子内的电荷分散的激发态，进一步与底物分子进行反应；或者通过共价键将有机光敏剂与底物分子形成电子电子给体和受体的复合物，在光照下进行发生分子内的电子转移。但是基于共价键的这种电子转移模式很少用于近期发展的光氧化还原反应。

图1. 代表性的光敏剂及电子转移模式

在本期的《科学》杂志中，来自中国科技大学的傅尧教授和他的博士生，目前就职于日本东京大学的尚睿教授强强联手，成功设计了PPh₃和NaI这一新颖的光氧化还原体系，在蓝光照射下引发羧酸的邻苯二甲酰亚胺氮氧酯（RAE）的脱羧形成烷基自由基，实现了烯醇硅醚的烷基化反应和Minisci烷基化反应。而且这一体系还可以引发氮烷基吡啶盐和Togni试剂分别产生烷基自由基和三氟甲基自由基。

作者的灵感来源于NaI促进的芳基取代反应，其中芳基溴被单电子还原为芳基自由基，但是这一反应是在高能的紫外光下进行的2。羧酸的邻苯二甲酰亚胺氮氧酯是一类常见的活性羧酸自由基前体，可以通过自由基脱羧形成烷基自由基，这一过程需要得到一个单电子。通过理论计算，作者估算了碘化钠作为单电子还原剂的吉布斯自由能为56.2 kcal/mol, 而加入三苯基膦仅需44.3 kcal/mol，说明形成的Ph₃P-I复合物有利于反应进行（图2）。NBO计算表明，复合物中三苯基膦可以稳定形成的碘自由基。作者推测NaI/PPh/RAE三组分电子转移复合物是通过库伦作用和阳离子-π作用结合在一起，而且发生电子转移的能垒是61.2 kcal/mol，理论上456纳米的蓝光可以提供这个能量。在这些理论计算基础上，作者对不同组分及复合物做了紫外可见吸收光谱（图3）：实验显示单一的RAE吸收在390纳米，而NaI和Ph₃P在可见光区无吸收。但是当这三组分混在一起，吸收峰发生明显红移，达到蓝光的波长范围，说明NaI/PPh/RAE这一复合物可以吸收蓝光得到激发。

图2.(B) NaI和NaI/PPh₃体系还原RAE的吉布斯自由能及可能的催化循环；(C)NaI/PPh/RAE三组分复合物的电子转移模式

图3. NaI，PPh₃，RAE各组分及混合物的紫外可见吸收光谱

控制实验，进一步说明，NaI是必须的，其他碘盐效果变差，而其他钠盐不能引发反应。三苯基膦的电性和位阻也非常重要。520纳米的绿光无法引发反应，而在420-456纳米附近的蓝光和紫光效果最佳，波长太短会导致收率降低。

    基于上述理解，作者以Ph₃P和NaI这一光氧化还原体系实现了烯醇硅醚的烷基化反应。此外，在三氟甲磺酸的活化下，实现了Minisci烷基化反应，值得提出的是，在南开大学周其林教授发展的螺环手性磷酸催化下，实现了氨基酸的不对称烷基化反应。

图4. 烷基化反应

这一催化体系还可以与1,1-二苯乙烯发生烷基化反应。而且还原的底物不仅限于活性羧酸酯（RAE），还可以引发氮烷基吡啶盐和Togni试剂分别产生烷基自由基和三氟甲基自由基，进行后续的反应（图5）。

图5. NaI/PAr₃光氧化还原体系的普适性。

作者以Minisci烷基化反应为例，描述了NaI/PAr₃光氧化还原体系的整个催化机理（图6）：首先NaI/PAr₃形成复合物，与底物RAE形成电子转移复合物（CTC），经光照断裂后形成烷基自由基，加成到活化的氮杂环形成新的碳自由基，被产生的Ph₃P-I自由基氧化为正离子，再生NaI/PAr₃。

图6. NaI/PAr₃光氧化还原机理。

本文发展的NaI/PAr₃光氧化还原也许会给近期颇受关注的光催化反应注入一股新生力量，替代传统贵金属络合物和有机染料，推动光化学的应用。

参考文献：

1. C. R. J. Stephenson, T. P. Yoon, D. W. C. MacMillan, Eds., Visible Light Photocatalysis in Organic Chemistry  (Wiley, 2018).

2. a) L. Li et al., J. Am. Chem. Soc. 137, 8328–8331 (2015). b) W. Liu, X. Yang, Y. Gao, C.-J. Li, J. Am. Chem. Soc. 139, 8621–8627 (2017).

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