科学家系统综述光催化生成芳基自由基的研究现状和机理！

科学家系统综述光催化生成芳基自由基的研究现状和机理！

导读：本文综述了光催化生成芳基自由基的最新进展，提出了一种无金属交叉偶联策略，可在温和条件下实现高选择性C-C键构建，拓展了自由基化学的应用范围。

研究背景

自由基中间体是一类具有未配对单电子的高能量化学物种，因其在复杂分子合成中的独特潜力，被广泛应用于医药化学、材料科学和有机合成等领域。与传统的极性化学相比，自由基中间体能够实现许多极性化学难以完成的转化，具有高反应活性和广泛底物兼容性等优点。然而，自由基中间体反应条件苛刻、选择性控制困难等问题，给其实用化带来了巨大挑战。

为了解决这一问题，英国 曼彻斯特大学Huaibo Zhao, Valentina Dafnae Cuomo，Ciro Romano & David J. Procter等人在光诱导芳基自由基的交叉偶联反应研究中取得了新进展。该团队通过系统综述光催化生成芳基自由基的研究现状和机理，提出了基于光催化的无金属芳基自由基交叉偶联策略。利用可见光激发的单电子转移（SET）、能量转移（EnT）、电子供体–受体（EDA）复合物等方法，该研究显著拓展了自由基生成的温和条件，同时实现了高选择性构建C(sp²)−C(sp²)、C(sp²)−C(sp³)和C(sp²)−C(sp)键。

研究显示，该方法使用稳定的自由基前体，不仅克服了传统方法中高温、高压及有毒金属催化剂的限制，还通过结合有机催化等策略进一步提高了反应效率和产物收率。此外，该团队总结了光催化芳基自由基在与π体系加成、氢原子转移及卤素原子转移等多种机制中的应用，并探讨了未来在不对称催化及可持续化学中的潜力。上述研究成果为自由基化学的理论发展和实际应用提供了新的思路和方法，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

表征亮点

（1）综述了光催化生成芳基自由基的最新进展，得到了芳基自由基在无金属交叉偶联反应中的广泛应用。

（2）文章详细讨论了利用可见光生成芳基自由基的方法，包括直接光激发、单电子转移、电子供体–受体复合物和能量转移催化等策略。研究表明，这些方法能够在温和的反应条件下有效生成芳基自由基，并为构建C−C键提供了新的途径。

（3）通过光催化，芳基自由基中间体已成功应用于构建C(sp²)−C(sp²)、C(sp²)−C(sp³)和C(sp²)−C(sp)等多种类型的C−C键，展示了其广泛的合成潜力。

（4）文章还指出，芳基自由基可以通过多种机制途径参与反应，如与π体系加成、氢原子转移和卤素原子转移等反应，进一步扩展了其应用范围。

（5）此外，文章提到大量稳定的芳基自由基前体已经被用于光催化条件下的反应，同时也在持续设计新的前体。

图文速递

图1: 芳基自由基中间体的光诱导交叉偶联反应概述。

图2:芳基自由基中间体的杂芳族化合物光催化芳基化。

图3:以芳基卤化物和羧酸作为芳基自由基前体，（杂）芳烃的光催化芳基化。

图4:芳基自由基中间体的光催化无金属烯基化、炔基化和羰基化反应。

图5:通过将芳基自由基中间体加成到烯烃上，构建新的C(sp2)–C(sp3)键。

图6: 通过ENT催化产生了芳基自由基的光催化功能化。

图7: EDA配合物产生的芳基自由基的光催化功能化。

图8: 芳基自由基介导HAT和XAT的光辅助交叉偶联反应。

科学启迪

传统的芳基自由基生成方法依赖于金属催化或高温条件，而如今通过光辅助方法，可以在温和且选择性的条件下生成芳基自由基，这不仅拓宽了其应用范围，也避免了金属催化过程中可能带来的环境和安全问题。文章指出，光催化生成的芳基自由基能够与多种底物进行高效偶联，尤其是在金属-free体系中，开辟了无金属交叉偶联反应的新途径。此外，芳基自由基在激活其他惰性底物、生成新型自由基中也表现出了巨大的应用潜力。未来，随着新型前体的设计以及催化体系的优化，芳基自由基的生成和利用将更加高效，推动不对称反应和复杂分子合成的进展。

原文详情：Zhao, H., Cuomo, V.D., Tian, W. et al. Light-assisted functionalization of aryl radicals towards metal-free cross-coupling. Nat Rev Chem (2024). https://doi.org/10.1038/s41570-024-00664-5