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本文聚焦分子光电催化（M-PEC），详细探讨其在烯烃化、亚胺还原、C (sp3)-H 键氧化等多种有机化合物转化反应中的应用，对比光氧化还原催化（PRC）和有机电合成（OES），展现 M-PEC 独特优势，为有机合成领域发展提供新思路。
引言
电催化和光催化作为通过单电子转移（SET）反应实现分子可持续活化的杰出技术，在有机合成中展现出巨大潜力。二者单独使用时虽各有优势，但将它们结合形成的分子光电催化（M-PEC），能获取高能量物种，实现一些传统策略难以达成的化学转化。此前已有众多学者对相关研究进行综述，本文旨在突出 M-PEC 相较于光氧化还原催化（PRC）和有机电合成（OES）单独使用时的卓越合成潜力。在第一部分中，已阐述了建立 M-PEC 反应方法时需考虑的实验要求、分析及挑战，本部分选取了部分具有代表性的反应，探讨其在有机合成中的应用前景。
近期杰出的分子光电催化转化
烯烃化
2019 年，Lambert 团队开始使用 TACClO4生成?TAC·2+作为电激活光催化剂（ea-PC）用于合成转化。Steiniger 和 Lambert 报道了利用烯烃对羰基进行串联 M-PEC 烯烃化反应。在该反应中，粗腙经电化学氧化生成重氮化合物，与过量烯烃快速发生 [3 + 2] 环加成反应，生成 5 元环二氮烯，随后?TAC·2+将其氧化得到烯烃。
传统烯烃合成方法依赖于对 C-H 键的去质子化，需要使用强碱或亲核试剂，这会导致与多种官能团不相容。而以?TAC·2+为催化剂的 M-PEC 烯烃化反应，通过不同的反应机制，为烯烃合成提供了新途径。与 PRC、OES 的烯烃化策略相比，M-PEC 在官能团耐受性上表现出独特优势。例如，在一定程度上能容忍酸性酰胺、Boc 氨基甲酸酯等，对游离醇也有较好的耐受性，还能适度容忍羧酸和烯醇，而这些在经典合成策略中存在困难。同时，M-PEC 在反应过程中避免了强亲核试剂、强碱和高还原电位的使用，通过氧化反应生成烯烃，使得胺类在反应中也能较好地被容忍。
在反应机理方面，环二氮烯的光敏 1 电子氧化会导致 N2逸出，形成 1,3 - 双自由基阳离子，其后续反应取决于前驱体的还原能力。在 M-PEC 反应中，使用该 ea-PC 能达到足够正的氧化还原电位，有利于发生 Wagner-Meerwein 重排，而其他光催化剂则难以实现或仅有少量机会发生重排。
亚胺还原
亚胺还原可制备仲胺，其原料酮 / 醛和伯胺来源广泛。对比 PRC、M-PEC 和 OES 的亚胺还原方法发现，PRC 中，亚胺难以通过激发态光催化剂的还原电位实现还原，需要短波长辐射，这可能导致与其他官能团不相容，并且存在酮基自由基的副反应。OES 中，亚胺直接还原为胺的反应因析氢反应（HER）导致法拉第效率较低，过去常使用汞电极解决该问题，后来发现 Pt 在 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）中、惰性气氛下，电解结束时添加质子是较好的选择，此外，碳纸（CP）电极也能促进芳香亚胺在水存在下的还原，但 3H - 吲哚类底物由于电位较高，需要开发其他策略。
2024 年，Guo 等人报道了使用?9-HTX·?进行亚胺的光电催化还原。?9-HTX·?是一种强还原性的短寿命物种，可在酸性条件下、低于 HER 的电位下生成。该方法能以水为质子源，中等至良好产率地还原多种环功能化的富电子 3H - 吲哚。从反应机理来看，PRC 使用经还原淬灭激活的氢源生成自由基中间体，而 M-PEC 中?9-HTX·?直接将质子化亚胺还原，避免了一些副反应，虽然使用水作为试剂可能导致某些底物在酸性水介质中水解，但整体产率略有提高。OES 和 M-PEC 都需要使用牺牲阳极，以避免生成的胺被氧化。
C(sp3)-H 键的氧化
激活 C (sp3)-H 键并形成 C-O 键是功能化分子、获取具有生物活性分子的常用策略。Lambert 研究小组报道了在 M-PEC 条件下对多个 C (sp3)-H 键进行酰氧基化的方法。使用 TACClO4作为 ea-PC，在光电催化条件下，?TAC·2+提供 3.3V 的氧化电位，通过 SET 反应激活 C-H 键，经过一系列反应得到多氧化产物。
该反应的底物范围广泛，能容忍芳烃、N - 保护的氮杂环、失活的噻吩等，由于反应在酸性介质中进行，胺衍生物以铵盐形式存在可被容忍，但酰胺可能被氧化引发功能化反应。与 OES 和 PRC 的酰氧基化反应相比，M-PEC 的多 C-H 激活具有独特优势，例如能使化合物 celestolide 发生双氧化，而 OES 只能得到单氧化衍生物。不过，PRC 的酰氧基化反应与烯烃兼容，且能引入不同的羧酸。
芳烃 C (sp2)-F 官能化
含氟化合物在药物化学中具有重要作用，可增强分子的渗透性、亲脂性并调节其 pKa。传统的亲核芳香取代反应合成含氟化合物存在局限性，未活化氟代芳烃的官能化通常需要强碱和高温。Lambert 的 M-PEC 方法能在较温和条件下实现未活化氟代芳烃的 C-F 官能化，具有良好的官能团兼容性。该方法使用电再生光催化剂（er-PC）氧化芳基氟化物，然后与亲核试剂反应，还原 Meisenheimer 中间体后排出氟离子。
Nicewicz 开发的光氧化还原方法则适用于未活化且富电子的芳烃，通过阳离子自由基中间体进行反应，所用的呫吨阳离子催化剂氧化性强，可促进氟离子被唑类、胺类和羧酸类取代。M-PEC 方法具有化学选择性优势，能避免产物被进一步氧化，对碱敏感的官能团也适用。此外，不同方法在底物选择性上各有特点，如光氧化还原条件下，吖啶盐可选择性氧化富电子氟代芳烃，避免与胺亲核试剂或酸敏感官能团的不相容性；Qiu 等人报道的阳极氧化法对多种官能团具有良好的耐受性。未来，针对强钝化芳烃的修饰有望出现新的方法，M-PEC 在含氟污染物降解方面也具有潜在应用价值。
C(sp2)-H 三氟甲基化
C(sp2)-H 键的三氟甲基化反应对于药物研发至关重要，三氟甲基能赋予药物分子多种优良特性。目前有多种三氟甲基源试剂，但部分存在价格昂贵或制备步骤繁琐的问题，廉价且易活化的试剂更受青睐。Ackermann 团队报道了在 M-PEC 条件下对杂芳烃进行 C (sp2)-H 三氟甲基化反应，使用 [Mes-Acr] ClO4和 TACClO4促进芳烃的官能化，产率较高，且对多种官能团具有耐受性，例如对含有易氧化氨基苯酚基团的化合物进行三氟甲基化时，仍能获得较好产率。PRC 和 OES 也提供了替代方法，分别使用廉价的三氟乙酸钠和铁光氧化还原催化剂，以及阴极还原原位生成的三氟甲磺酰铵盐。
C(sp3)-X 硼化
烷基硼化合物是有机合成中的关键中间体，硼酸酯的合成可通过光、电和 M-PEC 方法实现。PRC 和 M-PEC 方法基于相同原理，通过光诱导配体到金属电荷转移（LMCT）机制产生 Cl·自由基，引发分子间氢原子转移（HAT），激活 C (sp3)-H 键。B2cat2的空间位阻效应在一定程度上缓解了自由基氯化反应选择性差的问题，在非对称烃中表现尤为明显，区域异构体比例较高。二者的区别在于 M-PEC 方法无需外部氧化剂即可回收活性 Fe (III) 催化剂，在部分反应中能获得与 PRC 相当或相同的产率。
OES 则采用不同策略，通过电生成的介质间接转移电子到卤代烷烃产生烷基自由基，产物产率与卤素原子种类有关，反应选择性好，但酸性条件和某些官能团可能会影响反应，例如 α- 羰基 - C-H 键或化学计量的水存在时会出现问题。PRC 和 M-PEC 在以丙酮为溶剂、存在 HCl 的情况下仍能较好地进行反应，而 OES 的关键在于阴极生成介质，阳极使用牺牲阳极以抑制 Br2积累。
不对称分子光电催化
在利用 M-PEC 增强氧化还原能力的同时，实现具有官能团兼容性和立体化学精度的结构修饰至关重要。Xu、Wang 和 Liu 团队的工作为不对称功能化开辟了新方向，通过协同策略，使用 er-PCs 和手性铜配合物介导烷基芳烃的 C-H 苄基氰化反应。Xu 团队的开创性工作中，L1Cu (II) CN2和蒽醌 - 2,6 - 二磺酸盐（AQDS）催化剂的 er-PC 在阳极再生。Wang 和 Liu 则发现不同电子性质的蒽醌（AQ）对不同电子性质的烷基芳烃具有更好的兼容性。
在苯乙烯的不对称杂芳基氰化反应中，避免使用危险的芳基重氮盐，阳极氧化可再生吖啶盐 [Mes-Acr-Ph] BF4和手性催化剂。此外，多个研究小组探索了避免使用额外氧化剂的对非预官能化羧酸的对映选择性脱羧氰化反应，结合光电化学铈催化和不对称铜催化，能获得多种腈类化合物，产率和对映选择性良好。M-PEC 能使用低氧化电位的氧化还原体系，避免过高的氧化电位导致自由基中间体过度氧化，减少外部氧化剂的使用，提高了对氧化敏感官能团的兼容性。目前，电化学不对称反应尚未成功实现，M-PEC 中的对映选择性可能源于活化的光催化剂在介导反应中的作用，类似使用无机氧化还原介质进行不对称反应的策略已应用于 M-PEC。
结论
M-PEC 方法为合成电子转移转化反应增添了价值，拓展了反应范围，能够实现其他方法难以达到的氧化还原电位。通过对多种反应的分析可知，M-PEC 结合了光催化和电催化的优势，展现出独特的活化模式，在产率、选择性、官能团兼容性和立体选择性等方面具有提升潜力。若能深入了解 ea-PC 或 er-PCs 的行为，将有助于更好地发挥 M-PEC 的优势。此外，设计具有转移手性能力的催化剂也是未来的研究方向之一。目前，M-PEC 领域发展迅速，不断有新的研究成果涌现，本文仅讨论了部分近期的转化反应，预计未来还会有更多出色的研究成果出现。
