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光氧化還原催化是化學中的一個新興領域，能夠設計和開發各種化學轉化，是對傳統化學反應的補充。在光氧化還原轉化中，光被光催化劑吸收，然后觸發單電子轉移(SET)，導致高活性自由基離子的形成，其中不對稱光氧化還原催化的發展已成為當前高度相關的主題。然而，由于控制自由基離子本身的一般對映選擇性方法還不存在，以前的不對稱光氧化還原催化方法總是需要第二種激活模式和催化循環來實現立體選擇鍵的形成(圖1A)，這多種催化劑的使用嚴重限制了反應的多樣性。不需要這種第二催化循環的方法可能為不對稱光氧化還原催化提供更普遍的解決方案，并使大量廣泛有用的化學合成方法的對映選擇性版本成為可能。一種解決方案是使用(修飾的)酶，它憑借其明確的活性位點可以預先組織高度反應的中間產物進行立體選擇轉化；另一種策略是使用對映純反離子與非手性帶電光催化劑配對，但尚存對映選擇性不高的問題。
解決方案
基于此，馬普所Chandra Kanta De和Benjamin List（2021諾獎）等設想要將這種不對稱反陰離子定向催化(ACDC)方法推進到光氧化還原催化，使其具有更大的選擇性和通用性，需要對映純反陰離子的兩個特征：（i）堿度不能太高，避免典型的高酸性自由基陽離子中間體發生脫質子反應，從而導致非生產性自由基通路; (ii)存在一個受限的活性位點，能夠控制僅弱配位自由基陽離子反應的選擇性。作者寄希望于引入限域催化劑氮二磷酰亞胺（IDPi）陰離子在一個循環中實現光氧化還原催化（圖1B），其關鍵點在于形成和參與立體選擇性決定步驟的自由基陽離子中間體。論文以《Asymmetric counteranion-directed photoredox catalysis》題發表在Science上。
[2+2]環加成反應中不同反陰離子作用的研究
研究探索反式蒽醇與苯乙烯之間的光氧化還原催化分子間[2+2]環加成反應。首先將市售的四氟硼酸pyrylium光氧化還原催化劑4g的反陰離子，在萘作為電子繼電器輔催化劑的條件下與一系列對映純陰離子交換(圖2)。手性磷酸的共軛堿和亞胺二磷酸基本而不能產生任何反應。當使用亞胺酰亞胺二磷酸的陰離子(iIDP)和手性二磺酰亞胺(DSI)與之形成鮮明對比，高酸性和受限的IDPi催化劑4e顯著提高了催化性能，更重要的是pyrylim-IDPi鹽觀察到高對映選擇性。此外，磷酰胺酸鹽的陰離子(PADi)使產物的產率適中，對映選擇性差。底物1a消耗58%，產物3a的產率只有16%，對映選擇性差可能是由于缺乏限制。母催化劑四氟硼酸酯4g對底物1a的轉化率適中，但活性差只提供微量的產物。因此，選擇了催化劑4e和二氯甲烷以及2-甲基四氫呋喃1:1溶劑混合物，在-100℃下反應1天，發現環加成產物3a具有優良的產率和對映體選擇性。
圖 2：反式苯乙酯與苯乙烯分子間[2+2]環加成反應中不同反陰離子的研究
ACPC的普遍性
在與反式茴香醇衍生物的反應中，獲得了一系列具有不同電子性質和不同環位取代基的苯乙烯，得到的環丁烷產物具有良好的產率和對映選擇性(圖3)，NMR譜判斷所有產物都是單一的非對映體。苯乙烯與吸電子取代基使產物3b至3f具有良好的產率和良好的對映選擇性。苯乙烯具有電子供體取代基，顯然獨立于它們的空間位阻性質，提供3g到3j的產物具有良好的對映選擇性。二取代芳烴基苯乙烯也被發現是合適的反應伙伴，并提供了理想的產物(3k和3l)具有良好的對映選擇性。值得注意的是，該反應與醇、硅醚、醛、酯甚至終端烯烴功能兼容，3m~3q產物產率及對映選擇性良好。當使用具有相同IDPi反陰離子的各種光催化劑時，發現幾乎相同的對映選擇性(圖4)。基于幾種不同的有機光氧化還原催化劑被發現可以被綠光激發，研究者對探索這些與IDPi反陰離子配對的陽離子物種感興趣。研究發現在綠光照射下，7e和8e光氧化還原催化劑的產物收率分別為92%和19%，并且具有相同的對映選擇性。這反應了不對稱反陰離子定向光氧化還原催化(ACPC)的普遍性。
圖 4：不同光波長下IDPi反陰離子光催化劑的性能評價
催化劑穩定性評估
研究進一步通過簡單的鹽復分解得到這些對映純光催化劑，從而對其化學穩定性和光物理性質進行了評價。首先，為了建立4e催化劑的穩定性，在優化的條件下進行了反式茴香醇與苯乙烯的模型反應，并在轉化~60%后用NMR對反應混合物進行了分析。19F NMR(圖5A)和31P NMR(圖5B)譜證實催化劑基本上沒有發生分解。通過UV-vis和熒光光譜對催化劑4g和4e進行了比較發現兩種催化劑在可見光范圍內具有非常相似的光譜(圖5E)，在425 nm激發時，兩種催化劑在535 nm處的熒光光譜與λmax相似，證實了pyrylium光催化劑的穩定性。
反應機理研究
為了確定哪種試劑與激發態催化劑參與了初始氧化SET，對單個反應組分進行了穩態熒光猝滅實驗。根據催化劑4g的氧化還原電位，1a顯示出強烈的和濃度相關的熒光衰減(圖5C)。而催化劑4g和催化劑4e與苯乙烯2a均未表現出明顯的熒光衰減。因此，光催化劑4e在藍光照射下首先轉變為激發態4e*(圖6A)。然后，被激發的催化劑4e*從1a中接受一個電子，產生相應的自由基陽離子1a?+，并使光催化劑成為中性自由基a。這兩個步驟中的第一步是對映決定的，第二步是非對映決定的，在兩個苯基位置之間以熱力學和動力學上優先的反式關系形成鍵。這種中間體的單電子還原會生成產物3a。EPR實驗進一步了解催化循環。首先，將反應的各個組分在1:1二氯甲烷:四氫呋喃中分別在穩態條件下用-83℃的藍光在光譜儀中照射。在這兩種情況下都沒有檢測到EPR信號。而研究整個反應混合物時，觀察到一個明顯的EPR信號(圖6)。在g=2.003的自由基A的連續波X波段EPR譜中觀察到一個各向同性、快速運動的雙態自由基電子自旋耦合。
小結
研究開發了不對稱反陰離子定向光氧化還原催化(ACPC)，為所有類型的自由基陽離子進行光氧化還原催化提供了廣泛有用和通用的方法。https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade8190Sayantani Das et al. Asymmetric counteranion-directedphotoredox catalysis.Science 379, 494–499 (2023).DOI：10.1126/science.ade8190
