来源：CBG资讯

导语

N-杂环卡宾催化剂（NHC）是一种独特的Lewis 碱性催化剂，利用极性反转的手段来介导各种有机转化。虽然NHC催化剂介导的双电子反应类型从该领域成立以来不断扩大，但受限于其无法参与sp3亲电试剂的活化反应，通过单电子转移实现该中间体的后续反应具有突出潜力，可涵盖更广泛的前体，包括惰性分子。虽然自由基化学已经逐渐发展成熟，但光催化和电催化的复兴加速了现代合成化学的发展，而将可见光催化与NHC催化结合起来就可以在温和条件下实现N-杂环卡宾介导的自由基反应，从而克服上述限制。近日，南开大学汪清民课题组综述了当前前沿的光和氮杂卡宾协同催化的进展，重点是阐明和探索反应机制，对该领域的挑战和机遇进行了深入探讨，并提出了未来的发展方向。相关文章在线发表于Chemical science（DOI：10.1039/D3SC03274D）。

前沿科研成果

研究背景

有机小分子催化剂可模拟酶的活性，价格低廉、易于获得、温和，并且比金属催化剂毒性小。由于N-杂环卡宾催化剂（NHCs）独特的结构和功能多样性，在过去几十年中得到了蓬勃的发展，并成为有机催化领域中的一个热点方向。在NHC催化的反应历程中，根据其与不同的底物以及反应条件的不同，生成的中间体可大致分为两种类型：富电子型和缺电子型（图1a和1b）。NHC催化的传统模式通常是这些中间体直接参与反应，通过双电子过程形成化学键，尽管 NHC双电子催化反应的实用性不断扩展，但NHC催化受限于其无法参与sp3亲电试剂的活化反应，因此，发展新的催化模式，如单电子转移（SET）的自由基反应，将为NHC催化带来新的生机与活力。

光催化介导的单电子反应的最新进展实现了通过传统方法无法直接形成的化学键，这些发展在化学合成领域发挥了巨大的作用。光催化研究的复兴加速了自由基化学的发展，而将可见光催化与N-杂环卡宾（NHC）催化结合起来就可在温和条件下实现N-杂环卡宾介导的自由基反应。近年来，共催化模式蓬勃发展，在相关领域也有一些综述，尽管珠玉在前，该综述侧重于总结新发展的催化模式和机理，尤其是最近这几年间的。到目前为止，NHC/光双重催化主要包括两种催化模式：（1）在光催化条件下，单电子氧化经典的富电子NHC中间体生成羰基自由基；（2）在光催化剂条件下，还原新型NHC衍生的缺电子中间体生成羰基自由基。其中，富电子或缺电子的中间体可以直接被光激发后作为氧化剂或还原剂参与反应（图1c）。生成的羰基自由基将参与自由基/自由基交叉偶联实现化学键构筑，尽管没有直接使用光活化，Ohmiya课题组基于NHC催化在加热条件下使用NHPI酯作为自由基前体的开创性工作也将被讨论。

图1 光和氮杂卡宾共催化体系中的代表性中间体（图片来源：Chemical science）

综述内容

基于NHC独特的单电子还原特性，前期汪清民课题组利用光催化与NHC催化结合利用羧酸作为前体通过一种还原性单电子酰基唑鎓的烷基化反应实现α-氨基酮的简便合成（ACS Catal. 2022, 12, 2522）。随后，该课题组进一步通过解决催化剂和中间体之间的兼容性问题利用羧酸作为前体通过光、NHC和HAT三重催化的模式经由还原性单电子酰基唑鎓的烯丙基化反应实现β,γ-不饱和酮的简便合成（Nat Commun 2023, 14, 2951）。而这篇题为“Recent Advances in Combining Photo- and N-Heterocyclic Carbene Catalysis”的综述主要分为两个部分：第一部分主要总结通过单电子氧化（即通过Breslow中间体）产生羰基自由基，第二部分主要总结通过单电子还原（即通过酰基唑鎓中间体）产生羰基自由基。而第一部分又根据活化的底物类别和是否需要添加光催化剂进行进一步分类；第二部分主要根据离去基团的类别和产生自由基的类型进行分类。着重于对反应本质和机理进行归纳总结。

总结展望

通过NHC催化和光催化的结合，许多不能通过双电子历程进行的反应得以实现。尽管NHC介导的单电子反应已经取得了很大的进展和突破，但有一些问题仍待解决，包括：（1）酰基底物范围：由于先前活化的酰基前体大多是羧酸或醛，因此能否通过光和NHC的共催化模式来开发活化其他羧酸衍生物、醛衍生物或亚胺等仍需探索；（2）自由基的类型：已经报道的大多数文献都是直接形成苄基自由基或将烷基自由基加成到芳基烯烃上以间接形成苄基自由基，探索其他不稳定的自由基，比如通过这种催化模式进行未活化C–H键的高效选择性酰化将十分有意义；（3）对映选择性控制：应考虑如何在羰基α-位高对映选择性的构筑手性中心；（4）催化模式：探索将NHC催化与其他发展中的催化手段如电催化或金属催化相结合来开发新的催化模式。

本综述通讯作者为南开大学的汪清民教授。南开大学博士研究生王皛琛为该综述的第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金的持续资助。

课题组简介

汪清民课题组全家福（2021.11.27）

南开大学汪清民课题组隶属于南开大学元素有机化学国家重点实验室和化学学院及有机新物质创造前沿科学中心。目前课题组拥有老师和研究生20多人。研究方向为生态农药和药物创制以及环境友好的绿色合成反应。承担科技部、国家自然科学基金委、教育部、天津市等各种科研项目四十多项。在J. Agric. Food Chem.; Pest Manag. Sci.; Sci Adv.; Nat. Commun.; Angew. Chem. Int. Ed.; Chem. Sci.; Green Chem.; ChemSusChem.; ACS Sustainable Chem. Eng.; Arthritis& Rheumatism; J. Med. Chem.等杂志上发表论文300余篇。申请了100多项中国和美国及欧洲等发明专利，已授权80多项中国和美国及欧洲等发明专利。出版著作5部（章）。发明了仿生农药拟除虫菊酯系列产品和重大农药品种及高端精细化学品的清洁生产新方法，已成功应用于工业化大生产，产生了巨大的经济效益。创制了多个超高效的植物病毒病防治药剂和绿色杀虫杀螨剂候选品种以及国家Ⅰ类新药，处于产业化开发的不同阶段。培养毕业了30多名博士生和60多名硕士生，毕业研究生获得了全国优秀博士学位论文提名奖、天津市优秀博士学位论文、南开大学优秀博士学位论文、南开大学优秀硕士学位论文和国家奖学金等。