鉴于钯催化剂的资源稀缺性与环境成本问题，镍催化剂已经广泛应用于多种C-C键交叉偶联反应中。尽管如此，以传统的方式通过单一镍催化构键C-X（X = N, O, P, S）键仍然是有机化学领域极具挑战性的课题之一。反应中涉及的镍（II）中间体通常很难发生还原消除，导致后续C-X键交叉偶联很难实现。相反，镍（III）中间体的还原消除则很容易进行。因此，目前普遍认为将镍（II）高效地转化为活性更高的镍配合物（如镍（III）中间体、激发态等）可以成功实现形成C-X键的交叉偶联反应。
近年来，美国普林斯顿大学的MacMillan、宾夕法尼亚大学的Molander以及威斯康星大学的Yoon团队分别将光氧化还原催化和金属镍催化结合起来，避免了高能镍（II）的还原消除，从而突破性地实现了各类C-C、C-N、C-O、C-P以及C-S键的交叉偶联反应。然而，该类反应的机制尚不明确，且存在诸多争议。推测的机理主要分为两类：氧化还原机制和能量转移机制（图1）。氧化还原机制通常由光催化循环和非光活性的金属镍催化循环组成。根据光催化剂作用的不同，人们可将氧化还原机制分为自由基机制和价态调节机制。在自由基机制中，光催化剂（PC）吸收光后生成激发态（PC*），随后PC*活化有机底物，生成的自由基则被镍配合物捕获产生活性中间体，从而完成镍催化（Ni cat.）循环（图1A1）。然而，在价态调节机制中，生成的PC*可以与Ni催化循环中的Ni配合物之间发生直接的单电子转移（SET），进而产生高反应活性的中间体进行后续的反应（图1A2）。另一种可能的机制是能量转移机制，在有机合成中则主要为德克斯特（Dexter）电子交换机制。该过程可以理解为双电子交换过程，即光催化剂的激发态分子PC*与Ni配合物之间的LUMO-LUMO和HOMO-HOMO轨道相互作用，激发态分子PC*的LUMO电子转移到基态Ni配合物的LUMO中，同时Ni中HOMO电子转移到PC*的HOMO中，生成基态光催化剂PC和Ni催化剂的激发态Ni*进行后续的反应（图1B）。
图1. 可见光调控双金属协同催化机制
此外，光循环又分为两类：氧化淬灭循环和还原猝灭循环（图2）。因此，正确认识和揭示这一反应机制对于进一步发展此类双催化体系，高选择性地实现各种C-X键的交叉偶联反应是十分必要的。
图2. 光催化剂的氧化和还原淬灭循环
近日，东北师范大学的关威副教授（点击查看介绍）和苏忠民教授（点击查看介绍）团队以光介导的铱(III)/镍(II)双催化作用实现的C−O键交叉偶联反应为研究对象（图3，该实验工作由MacMillan教授课题组完成，并发表在Nature, 2015, 524, 330, DOI: 10.1038/nature14875，实验发现该反应在不加入奎宁时产率从91%降低至8%），运用量子化学计算的方法深入研究其所有可能的反应机制，明确了奎宁对该反应起促进作用的本质，同时揭示了C−O键交叉偶联高选择性的起源。
图3. 光介导的铱(III)/镍(II)双催化作用实现C−O键交叉偶联反应
研究发现，相比于前期报道的包含还原淬灭光循环的价态调节、自由基以及能量转移机制，氧化淬灭光循环（*IrIII−IrIII−IrIV−IrIII）和镍催化循环（NiII−NiI−NiIII−NiI−NiII）结合的新颖价态调节机制（图4）更为优势。其中奎宁通过参与质子耦合电子转移过程避免高能的配体交换步骤，从而加速反应进行。此外，在质子转移过程中，奎宁中的N原子和醇类底物的H-(O)原子之间存在强氢键作用，控制C-O键的高选择性偶联。
该工作充分发挥理论计算的可靠性和前瞻性，一方面有助于理解此类光介导的铱/镍双催化作用的微观机理，探究其协同催化作用的本质；另外一方面能够为未来开发新颖廉价的光介导双金属协同催化体系以及新型C-X键的形成反应等提供理论指导。
图4. 氧化淬灭光循环（*IrIII−IrIII−IrIV−IrIII）和镍催化循环（NiII−NiI−NiIII−NiI−NiII）结合的价态调节机制
上述工作得到国家自然科学基金的支持，发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者是东北师范大学的博士研究生朱博。
该论文作者为：Bo Zhu, Li-Kai Yan, Yun Geng, Hang Ren, Wei Guan, Zhong-Min Su
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IrIII/NiII-Metallaphotoredox Catalysis: Oxidation State Modulation Mechanism versus Radical Mechanism
Chem. Commun., 2018, DOI: 10.1039/C8CC03550D
导师介绍
关威
http://www.x-mol.com/university/faculty/31099
苏忠民
http://www.x-mol.com/university/faculty/9468
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