可见光驱动的N-杂环卡宾催化：无需光催化剂的自由基转化的最新进展

《Tetrahedron》：Visible-light-driven N-heterocyclic carbene catalysis: Recent advances in photocatalyst-free radical transformations

　　

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  将可见光与NHC催化相结合可实现单电子转移（SET）路径，补充了经典的NHC介导的双电子路径。
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  本综述通过NHC结合的酮醇自由基，探讨了经氧化猝灭和还原猝灭路径进行的无金属NHC光催化。
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  NHC结合的酮醇中间体作为持久自由基，与瞬态自由基结合形成多种产物。
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  无光催化剂的NHC光催化依赖于底物调控，从而实现SET/HAT/EDA复合物的形成。
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  详细总结了该NHC-可见光驱动过程的机理方面。

引言

自从问世以来，N-杂环卡宾（NHC）已成为合成有机化学家关注的焦点分子，最初是因为其制备、检测和独特稳定性的挑战，后来则是由于其对羰基化合物表现出独特的逆极性反应性。尽管它们是卡宾的一个子类——即带有孤对电子的中性六电子物种——NHC的反应性却与之大不相同。NHC的电子特性可精细调节；卡宾周围的位阻排列决定了卡宾的反应性，这些方面连同其制备方式已被广泛综述[1]、[2]、[3]、[4]。由于具有显著的亲核性，它们可作为Lewis碱性有机催化剂发挥作用，已成为有机催化中不可或缺的一部分。NHC作为有机催化剂的使用可追溯至1943年，当时Ukai等人阐明了该反应的机理方面，几年后Breslow提出了机理假说[5]，这开创了有机催化的新维度[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。近三十年后，在1988年，Bertrand等人合成了稳定的膦卡宾[11]，而自由卡宾的存在于1991年由Arduengo等人明确证实[12]。尽管NHC的存在此前已被确认，这些发现却改变了有机催化的领域，引发了对NHC作为有机催化剂应用的广泛研究。除众所周知的Breslow中间体和aza-Breslow中间体外，还有多种其他活化模式可能存在，从而产生其他中间体如酰基三唑鎓、二烯胺醇、烯醇负离子、同烯醇负离子、三唑鎓烯胺醇盐、三唑鎓烯醇盐等[13]、[14]、[15]、[16]，这些被应用于C–C键、C–X（N、O、B、P）键形成反应、缩合反应[17]、[18]、Stetter反应[19]、构建各种杂环和碳环的环化反应[20]、[21]、[22]、[23]、不对称合成[24]以及重排反应[25]、[26]。通过双电子反应路径将NHC作为有机催化剂的应用已被广泛综述[27]、[28]。然而，NHC催化的经单电子转移（SET）进行的自由基过程因其优雅性和显著选择性近年来日益受到重视。在生物体系中，已知焦磷酸硫胺素（TPP，一种维生素B1衍生物）可作为丙酮酸氧化脱羧反应的辅因子，该过程通过SET过程进行（图1）[29]、[30]、[31]。由此获得的"Breslow中间体"可与黄素腺嘌呤二核苷酸、脂酰胺、Fe₄S₄等多种电子受体进行SET[32]。

在合成有机化学中，2001年首次报道了NHC通过SET过程进行的自由基催化反应，作者报告了自由基中间体的晶体结构[33]。Fukuzumi等人研究了Breslow中间体的电子转移和氧化还原特性，他们观察到由各种Breslow中间体衍生的烯醇负离子具有非常低的氧化电位（E_ox = ?0.97至?0.78 V vs. SCE），使其成为强还原剂[34]。当合适底物受光照射时，可根据其寿命产生两种自由基中间体：持久性（长寿命）和瞬态（短寿命）自由基[35]。当这些自由基以相同速率产生时，高效的自由基-自由基偶联即可发生[36]。在可见光NHC催化介导的SET过程中，通过氧化或还原路径形成稳定的持久性自由基[37]。NHC可有效调节合适底物的氧化还原电位，从而作为这些自由基中间体的优良稳定剂[38]。使用NHC的另一优势在于，所得NHC结合中间体可在有机光催化剂存在或不存在的情况下发挥作用，从而实现氧化和还原反应路径[39]。在氧化路径中，Breslow中间体的烯醇形式经SET生成酮醇自由基（一种持久性自由基），随后与瞬态自由基（由合适的偶联伴侣获得）进行自由基-自由基偶联，形成所需化合物（图2a）[40]、[41]。

类似地，在还原路径中，NHC与活化的羰基化合物或羧酸衍生物、酰氯、酸酐和酯反应形成酰基三唑鎓中间体。在SET条件下，该酰基三唑鎓中间体经还原生成稳定的持久性酮醇自由基，随后与瞬态自由基进行自由基-自由基偶联，最终得到所需产物（图2b）[42]、[43]。

章节摘要

光驱动的NHC催化路径

本综述聚焦于无金属条件下将N-杂环卡宾催化与可见光相结合的最新进展。这些方法实现了可持续的无金属转化，符合绿色化学原则，并拓展了NHC催化的前沿领域。基于光介导NHC催化的趋势，我们将其大致分为三种不同的机理路径（图1）。

在这些路径中，反应通过单一有机催化

可见光驱动NHC催化的对比评估

对已报道反应条件的比较揭示了可见光驱动NHC催化转化中的若干共同特征和显著差异（表1）。在结构上，所使用的NHC催化剂大多在杂环骨架内含有两个或更多杂原子，这有利于稳定相应的NHC结合持久性自由基中间体。在这些中间体中，Breslow中间体的使用频率高于酰基三唑鎓

结论

在过去几年中，NHC有机催化领域经历了一场范式转变，其中已建立的NHC催化离子路径已被SET过程所补充，在少数情况下甚至被SET过程所取代。在此背景下，本综述强调了将NHC催化与可见光光催化相结合的重要性，作为对传统过渡金属自由基路径的可持续替代方案。我们整理了一系列关于双重NHC/可见

CRediT作者贡献声明

Merlin Abigail：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、数据整理。Karthiyayini Gnanaoli：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、数据整理。Prema Sakthivel：撰写——原始草稿、方法论、数据整理。C. Uma Maheswari：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、项目管理、资金支持、概念化。

献词

本综述献给K. Rajender Reddy博士六十岁生日。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

C. U. M.感谢印度新德里科学与工业研究委员会（CSIR）的财务支持，获得ASPIRE资助 01WS(032)/2023-24/EMR-II/ASPIRE。

Merlin Abigail|Karthiyayini Gnanaoli|Prema Sakthivel|C. Uma Maheswari