综述：镍-金属光氧化还原催化在有机合成中的进展：靶向反应设计的新方法

《Current Nutrition & Food Science》：Advances in Nickel-Metallaphotoredox Catalysis in Organic Synthesis: A New Approach to Targeted Reaction Design

本综述系统总结了镍-金属光氧化还原催化（Nickel-Metallaphotoredox Catalysis）领域近三年的突破性进展，重点阐述了其在构建挑战性C(sp3)-C(sp3)和C(sp3)-C(sp2)键方面的卓越能力。该策略巧妙结合了廉价金属镍丰富的氧化还原态与光催化剂（PC）介导的单电子转移（SET）或能量转移（ET），为在温和条件下实现高化学、区域和立体选择性的转化提供了强大工具，在药物和材料科学等领域展现出巨大应用潜力。

　　

引言：双催化策略的融合

在有机合成的创新浪潮中，镍-金属光氧化还原催化作为一种颠覆性的策略，在过去十年间迅速崛起。其核心在于将地球储量丰富、价格低廉的镍金属催化剂与光催化剂（PC）协同使用。光催化剂在光激发下，通过介导单电子转移（SET）或能量转移（ET）过程，高效生成高活性的碳中心自由基。随后，镍催化剂凭借其易于调控的氧化还原态，能够巧妙地捕获这些自由基中间体，进而实现一系列高效、高选择性且环境友好的转化。这一融合不仅拓展了传统交叉偶联反应的边界，更为构建复杂分子骨架开辟了新途径。

催化机制的核心要素

理解该催化体系的关键在于把握其两个核心组成部分的功能。光催化剂（PC）通常是有机染料或过渡金属配合物，其作用类似于“能量中转站”，吸收光能后变为激发态，从而有能力通过SET过程氧化或还原底物，或者通过ET过程将能量传递给其他分子，诱发自由基反应。另一方面，镍催化剂则扮演着“反应执行者”的角色，其独特的氧化还原循环（如介于Ni^I、Ni^II、Ni^III之间）使其能够与光催化产生的自由基物种发生氧化加成、自由基捕获等步骤，最终完成键的偶联。这种双催化循环的协同作用，是实现温和条件下高选择性反应的基础。

挑战性碳-碳键的构建

本篇综述重点聚焦于近三年来在构建挑战性碳-碳键方面的突出进展，特别是C(sp³)-C(sp³)和C(sp³)-C(sp²)键的合成。相较于传统的C(sp²)-C(sp²)偶联，涉及C(sp³)中心的偶联通常面临反应活性低、副反应多及立体选择性控制难等挑战。镍-金属光氧化还原催化通过自由基途径，能够有效地活化烷基底物（如通过氢原子转移HAT或氧化生成烷基自由基），并利用镍催化剂对烷基自由基的高效捕获能力，成功实现了这些难以形成的键的构建。反应体系不仅限于双组分偶联，更可扩展至三组分反应，极大地丰富了合成子的来源和反应多样性。

卓越的选择性与应用前景

该催化方法的一个显著优势是其优异的选择性控制。在温和的光照条件下，反应能够实现良好的化学选择性（区分不同官能团）、区域选择性（控制反应位点）以及立体选择性（包括对映选择性和非对映选择性）。这使得该方法在合成结构复杂的天然产物、药物分子及功能材料的前体时具有独一无二的价值。在药物化学中，引入C(sp³)中心 often 有助于改善分子的药代动力学性质；在材料科学中，该方法为精准构建特定结构的聚合物或小分子功能材料提供了新工具。因此，其在绿色合成（Green Synthesis）和可持续合成（Sustainable Synthesis）领域的应用前景备受瞩目。

现存挑战与未来方向

尽管取得了显著成就，该领域仍面临一些关键挑战。首先，对于许多已报道的反应体系，其详细的催化机理，特别是开壳层自由基物种（Radical Intermediates）的精确产生、转化以及与镍中心相互作用的具体路径，尚缺乏深入统一的认识。虽然部分研究通过动力学同位素效应等手段进行了探索，但利用计算化学方法进行系统性分子层面相互作用的研究仍相对匮乏，且未能总结出普适性的机理规律。未来研究的关键在于发现和阐明新型自由基物种的产生与控制方法，因为这对反应活性和选择性的精准调控至关重要。这些机理上的突破将极大地推动新反应的发展，并最终惠及化学科学的各个分支，催生更多的跨学科研究机遇。