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光氧化还原催化是化学中的一个新兴领域，能够设计和开发各种化学转化，是对传统化学反应的补充。在光氧化还原转化中，光被光催化剂吸收，然后触发单电子转移(SET)，导致高活性自由基离子的形成，其中不对称光氧化还原催化的发展已成为当前高度相关的主题。然而，由于控制自由基离子本身的一般对映选择性方法还不存在，以前的不对称光氧化还原催化方法总是需要第二种激活模式和催化循环来实现立体选择键的形成(图1A)，这多种催化剂的使用严重限制了反应的多样性。不需要这种第二催化循环的方法可能为不对称光氧化还原催化提供更普遍的解决方案，并使大量广泛有用的化学合成方法的对映选择性版本成为可能。一种解决方案是使用(修饰的)酶，它凭借其明确的活性位点可以预先组织高度反应的中间产物进行立体选择转化；另一种策略是使用对映纯反离子与非手性带电光催化剂配对，但尚存对映选择性不高的问题。
解决方案
基于此，马普所Chandra Kanta De和Benjamin List（2021诺奖）等设想要将这种不对称反阴离子定向催化(ACDC)方法推进到光氧化还原催化，使其具有更大的选择性和通用性，需要对映纯反阴离子的两个特征：（i）碱度不能太高，避免典型的高酸性自由基阳离子中间体发生脱质子反应，从而导致非生产性自由基通路; (ii)存在一个受限的活性位点，能够控制仅弱配位自由基阳离子反应的选择性。作者寄希望于引入限域催化剂氮二磷酰亚胺（IDPi）阴离子在一个循环中实现光氧化还原催化（图1B），其关键点在于形成和参与立体选择性决定步骤的自由基阳离子中间体。论文以《Asymmetric counteranion-directed photoredox catalysis》题发表在Science上。
[2+2]环加成反应中不同反阴离子作用的研究
研究探索反式蒽醇与苯乙烯之间的光氧化还原催化分子间[2+2]环加成反应。首先将市售的四氟硼酸pyrylium光氧化还原催化剂4g的反阴离子，在萘作为电子继电器辅催化剂的条件下与一系列对映纯阴离子交换(图2)。手性磷酸的共轭碱和亚胺二磷酸基本而不能产生任何反应。当使用亚胺酰亚胺二磷酸的阴离子(iIDP)和手性二磺酰亚胺(DSI)与之形成鲜明对比，高酸性和受限的IDPi催化剂4e显著提高了催化性能，更重要的是pyrylim-IDPi盐观察到高对映选择性。此外，磷酰胺酸盐的阴离子(PADi)使产物的产率适中，对映选择性差。底物1a消耗58%，产物3a的产率只有16%，对映选择性差可能是由于缺乏限制。母催化剂四氟硼酸酯4g对底物1a的转化率适中，但活性差只提供微量的产物。因此，选择了催化剂4e和二氯甲烷以及2-甲基四氢呋喃1:1溶剂混合物，在-100℃下反应1天，发现环加成产物3a具有优良的产率和对映体选择性。
图 2：反式苯乙酯与苯乙烯分子间[2+2]环加成反应中不同反阴离子的研究
ACPC的普遍性
在与反式茴香醇衍生物的反应中，获得了一系列具有不同电子性质和不同环位取代基的苯乙烯，得到的环丁烷产物具有良好的产率和对映选择性(图3)，NMR谱判断所有产物都是单一的非对映体。苯乙烯与吸电子取代基使产物3b至3f具有良好的产率和良好的对映选择性。苯乙烯具有电子供体取代基，显然独立于它们的空间位阻性质，提供3g到3j的产物具有良好的对映选择性。二取代芳烃基苯乙烯也被发现是合适的反应伙伴，并提供了理想的产物(3k和3l)具有良好的对映选择性。值得注意的是，该反应与醇、硅醚、醛、酯甚至终端烯烃功能兼容，3m~3q产物产率及对映选择性良好。当使用具有相同IDPi反阴离子的各种光催化剂时，发现几乎相同的对映选择性(图4)。基于几种不同的有机光氧化还原催化剂被发现可以被绿光激发，研究者对探索这些与IDPi反阴离子配对的阳离子物种感兴趣。研究发现在绿光照射下，7e和8e光氧化还原催化剂的产物收率分别为92%和19%，并且具有相同的对映选择性。这反应了不对称反阴离子定向光氧化还原催化(ACPC)的普遍性。
图 4：不同光波长下IDPi反阴离子光催化剂的性能评价
催化剂稳定性评估
研究进一步通过简单的盐复分解得到这些对映纯光催化剂，从而对其化学稳定性和光物理性质进行了评价。首先，为了建立4e催化剂的稳定性，在优化的条件下进行了反式茴香醇与苯乙烯的模型反应，并在转化~60%后用NMR对反应混合物进行了分析。19F NMR(图5A)和31P NMR(图5B)谱证实催化剂基本上没有发生分解。通过UV-vis和荧光光谱对催化剂4g和4e进行了比较发现两种催化剂在可见光范围内具有非常相似的光谱(图5E)，在425 nm激发时，两种催化剂在535 nm处的荧光光谱与λmax相似，证实了pyrylium光催化剂的稳定性。
反应机理研究
为了确定哪种试剂与激发态催化剂参与了初始氧化SET，对单个反应组分进行了稳态荧光猝灭实验。根据催化剂4g的氧化还原电位，1a显示出强烈的和浓度相关的荧光衰减(图5C)。而催化剂4g和催化剂4e与苯乙烯2a均未表现出明显的荧光衰减。因此，光催化剂4e在蓝光照射下首先转变为激发态4e*(图6A)。然后，被激发的催化剂4e*从1a中接受一个电子，产生相应的自由基阳离子1a•+，并使光催化剂成为中性自由基a。这两个步骤中的第一步是对映决定的，第二步是非对映决定的，在两个苯基位置之间以热力学和动力学上优先的反式关系形成键。这种中间体的单电子还原会生成产物3a。EPR实验进一步了解催化循环。首先，将反应的各个组分在1:1二氯甲烷:四氢呋喃中分别在稳态条件下用-83℃的蓝光在光谱仪中照射。在这两种情况下都没有检测到EPR信号。而研究整个反应混合物时，观察到一个明显的EPR信号(图6)。在g=2.003的自由基A的连续波X波段EPR谱中观察到一个各向同性、快速运动的双态自由基电子自旋耦合。
小结
研究开发了不对称反阴离子定向光氧化还原催化(ACPC)，为所有类型的自由基阳离子进行光氧化还原催化提供了广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
