东北师范大学关威教授团队ACS Catal.封面：理论计算与模拟驱动精准化学合成 助力光催化C(sp3)–O/N交叉偶联新方法
碳-杂原子（C−X）键的高效构建在药物、材料和天然产物合成中具有重要意义。在过去的几十年里，一些经典的策略如Chan-Lam、Ullmann-Goldberg、Buchwald-Hartwig偶联反应被用来构建各种C−X键。然而，使用这些策略通常会面临反应温度高、反应时间长、催化剂昂贵等限制因素。最近，光催化剂和第一过渡周期金属的协同催化被视为实现C−X键交叉偶联反应的强大而有效的方法之一。
近年来，东北师范大学关威教授团队致力于可见光介导的双金属协同催化碳−碳及碳−杂原子键交叉偶联反应机制的理论研究。2018年开始，该课题组先后通过对光介导的铱(III)/镍(II)双催化C−C、C−O、C−S、C−N键交叉偶联反应的深入研究，揭示了由氧化淬灭光循环、还原淬灭光循环、过渡金属镍催化循环、氢原子转移循环组合的双循环价态调节机制（Chem. Commun. 2018, 54, 5968；ACS Catal. 2019, 9, 3858）和三循环自由基机制（Org. Chem. Front. 2020, 7, 2168），并明确有机碱在上述两种机制中分别通过参与质子耦合电子转移过程和氢原子转移过程有效加速反应的进行。此外，该课题组又探究了铱(III)/铜(I)和铱(III)/镍(II)双金属光氧化还原催化不对称自由基脱羧氰化和非对称内炔氢烷基化反应的自由基机制（Dalton Trans. 2020, 49, 15276; CCS Chem. 2021, 3, 1456）。鉴于目前该类催化体系大多依赖贵金属或精细合成的有机光催化剂，开发一种经济、便利的光氧化还原催化剂成为目前研究的热点之一。中国科学技术大学傅尧和尚睿研究团队利用低成本的PPh3/NaI基光氧化还原催化体系实现了脱羧烷基化构建C(sp3)-C键，并将成果发表在国际权威期刊《Science》上。通过NaI/PPh3与烷基-N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯底物的自组装，可以产生光诱导的分子间电荷转移，从而释放了sp3-碳中心自由基，这无疑为构筑C(sp3)-X键提供了便捷的思路。
鉴于此，关威教授团队通过理论计算设计和实验验证相结合的手段，拓展了一种节能、高效、低成本、广谱的NaI-PPh3/CuI协同光氧化还原催化体系，从而实现了烷基N-羟基酞酰亚胺酯与酚/仲胺的C(sp3)−O/N交叉偶联，并在10 w蓝光LED照射4 h下可以获得高达90%的产率。
该工作首先对于双催化体系的光物理过程 (图1) 以及相应反应势能面进行了细致的分析。一种特殊的CuI−CuII−CuI催化循环被理论计算筛选为最有利反应机制，其包括自由基回旋、分子间单电子转移、有机碱参与的质子转移和还原消除等过程，这避免了动力学上具有挑战性的CuIII还原消除，并高选择性地产生C(sp3)−O/N交叉偶联产物（图2）。
图1. 光催化循环：光催化循环的吉布斯自由能势能面（∆G°）（A）；配合物1和2的吸收光谱和光物理过程（B）
（来源：ACS Catalysis）
图2. 铜在C(sp3)-O交叉偶联反应中的催化循环的吉布斯自由能势能面（∆G°）
（来源：ACS Catalysis）
图3. 烷基N-羟基酞酰亚胺酯与酚/仲胺类底物的交叉偶联范围
（来源：ACS Catalysis）
除此之外，该工作也通过一系列的实验验证了理论预测的合理性。以甲氧基取代的苯酚、多环芳香族酚类化合物、杂环芳香族胺类化合物和烷基N-羟基酞酰亚胺酯作为底物时，均能获得较高产率的C(sp3)−O/N偶联目标产物（图3）。这项工作不仅能够助力发展光催化C−X交叉偶联新方法，而且也为理论计算与模拟驱动精准化学合成提供又一成功案例。
这一成果以“Photocatalytic C(sp3)‒O/N Cross-Couplings by NaI-PPh3/CuBr Cooperative Catalysis: Computational Design and Experimental Verification”为题发表在ACS Catalysis上并被选为Front Cover（DOI: 10.1021/acscatal.1c01222）。文章的第一作者是东北师范大学博士研究生李润寒（中），李洸伕博士（左）和关威教授（右）为共同通讯作者。
该论文作者为：Run-Han Li, Yu-Long Zhao, Qing-Kun Shang, Yun Geng, Xin-Long Wang, Zhong-Min Su, Guang-Fu Li, and Wei Guan。