過渡金屬金屬催化劑如鈀或鎳實現(xiàn)了一系列的交叉偶聯(lián)、C-H鍵官能化、氫化、還原及氧化反應，大大拓寬了藥物及精細化學品的合成策略。通過對基本步驟的調(diào)控（Fig. 1A），研究人員在過去的幾十年中為每種反應優(yōu)化了不同催化劑。不幸的是，這類催化循環(huán)存在固有的局限性，從而削弱了其效用。這些起因于金屬催化劑的變價循環(huán)過程，其中有利于一個半循環(huán)的催化劑其空間或電子特征通常會抑制另一半循環(huán)。因此，平衡這些步驟是反應設計的關(guān)鍵，往往需要降低總催化劑活性或限制底物范圍。
（來源：Science）
“鈀催化的羰基化反應就處于這樣一種兩難的境地”
羰基化至少在原理上是從原料組裝成普遍存在有價值的羰基化合物的最有效途徑之一，其中包括酯、酰胺或酮等。但是，相對于類似的交叉偶聯(lián)反應，CO配位對鈀的氧化加成具有抑制作用，需要提高反應溫度，這限制了許多關(guān)鍵底物的使用，如反應活性較低的簡單烷基鹵化物。這些問題可以通過催化劑設計部分解決。例如，Alexanian 和 Ryu分別使用了富電子的催化劑及紫外光來實現(xiàn)了芳鹵羰基化反應，但是這些對氧化加成有利的因素通常消除步驟需要使用強親核試劑（Fig. 1B）。羰基化反應通常還需要親核試劑易于與鈀締合以進行還原消除, 針對該部分的研究通常使用大位阻的配體來促進酰鹵的形成。但是，這種有利于還原消除作用的催化劑，適用的底物范圍便受限于可以輕松進行氧化加成的底物上。
“上帝說，要有光”
許多實驗室的開創(chuàng)性研究表明，將可見光催化劑與常規(guī)的鎳或鈀催化劑協(xié)同使用可以加快偶聯(lián)反應中的決定性步驟。這種策略也被應用于烷基鹵化物Suzuki偶聯(lián)的羰基化反應。盡管此類策略擴大了可獲得的產(chǎn)品范圍，但催化循環(huán)中的其他步驟仍然依賴于金屬的經(jīng)典空間和電子效應修飾，并且可能會受到固有高活化能壘的限制。在考慮這些特征時，加拿大麥吉爾大學Bruce A. Arndtsen課題組質(zhì)疑光是否可能在催化中發(fā)揮更大的作用。在最初的實驗中，作者首先將研究重點放在可見光與鈀通過協(xié)同作用促進酰氯的生成上。在藍光照射的條件下作者考察了各種催化劑體系和光催化劑后發(fā)現(xiàn)，Xantphos與[Pd(allyl)Cl]2和{Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbpy)}PF6一起作用時，室溫條件下酰氯捕獲產(chǎn)物1a的產(chǎn)率為34％（Fig. 2A）。配體篩選結(jié)果顯示，[(2-二苯基膦基)苯基]醚（DPEphos）活性極強，并且反應幾乎定量形成酰胺1a（Fig. 2B）。
（來源：Science）
“光的雙重身份”
作者進一步合成了DPEphos連接的Pd(II)-?；j合物3b-Cl。低溫下對其進行輻照, 并在5分鐘內(nèi)近似定量地得到消除產(chǎn)物酰氯2b（Fig. 3A）。除有利于還原消除外，光似乎還可以通過激發(fā)Pd(0)絡合物(DPEphos)Pd(CO)2而參與氧化加成步驟（Fig. 3B）。作者觀察到第二種低產(chǎn)率的產(chǎn)物形成，其是由鄰甲苯基自由基與C6H6溶劑引起的。Pd(0)配合物7是在酰氯消除后形成的，在芳基碘化物存在下可快速地進行逆氧化加成，從而與6c一起形成3c-I（Fig. 3C）。這些結(jié)果與先前報道的光致單電子從Pd(0)轉(zhuǎn)移至芳基碘化物從而降低了反應所需活化能的作用類似。
（來源：Science）
“挑戰(zhàn)不可能”
從合成的角度來看，這種基于可見光的催化體系提供了一種在環(huán)境溫度下對具有挑戰(zhàn)性的親電試劑和親核試劑進行羰基化的有效途徑。該催化策略適用于一系列芳基碘化物以及具有潛在配位基團的底物。迄今為止，芳基溴需要高溫才能發(fā)生羰基化生成酰氯（100至120 °C），而在該策略下低至-3°C的溫度下也可原位生成酰氯。這種光驅(qū)系統(tǒng)還實現(xiàn)了獨特的羰基化途徑，將簡單的烷基鹵化物轉(zhuǎn)化為有價值的烷基酰氯產(chǎn)物。由于這些轉(zhuǎn)化中的每一個都會導致酰氯的形成，因此可以同時將大量親核試劑加入該化學反應中。在親核試劑與反應條件不兼容的體系中，可以將酰氯積累后添加親核試劑。后者可以得到具有挑戰(zhàn)性的底物的偶聯(lián)產(chǎn)物（1y-1aa，1ii），以及結(jié)構(gòu)上更精細產(chǎn)品（萜烯，1kk；β-乙縮醛，1ff；甾體酰氯，2i）的產(chǎn)生，這些結(jié)構(gòu)沒有一個可以通過經(jīng)典的羰基化方法獲得。
（來源：Science）
（來源：Science）
“To be continue”
該工作報道了一種羰基化偶聯(lián)反應的傳統(tǒng)鈀催化劑的替代策略，其中可見光的參與以低勢壘驅(qū)動氧化加成和還原消除?？紤]到羰基化的底物范圍以及該催化策略在催化循環(huán)中的關(guān)鍵作用，該催化體系高效靈活，對合成領(lǐng)域具有重要的價值。相關(guān)成果發(fā)表于Science（DOI: 10.1126/science.aba5901）。
