得益于自由基化学的蓬勃复兴，近年来，人们在光氧化还原催化领域的研究中取得了显著的进展。早些时日我们为大家介绍过一系列不同类型的光氧化还原催化反应，除了日常工作与研究中频繁涉及的碳-碳、碳-杂键偶联，还包括自由基共轭加成、氟化及氟烷基化、硼化等形色各异的官能团转化。从反应机制上看，这类反应通常从可产生自由基物种的前体出发，在可见光的引发下发生单电子转移（SET），得到相应的自由基阳离子或阴离子，并参与后续转化。对比传统热引发的化学反应，光氧化还原催化反应的条件更加温和，大多在室温下便能高效进行。
绝大多数有机化合物分子的吸收带位于紫外光区，除非存在较大的共轭体系，吸收带会一定程度红移，单纯以可见光照射反应物并不能实现上述转化。光氧化还原催化剂的出现打破了这一壁垒，这类结构在可见光的作用下从基态跃迁至激发态，进而与反应物分子发生电子转移。反应中所使用的光氧化还原催化剂大体可分为两类，一种为过渡金属配合物，其中以三组双齿螯合配体配位的RuII、IrIII配合物应用较为广泛。下图便展示了一些具有代表性的结构，改变配体的电子特性还可对催化剂的还原电势进行调控，从而影响其氧化及还原能力。
常见的RuII、IrIII配合物光氧化还原催化剂
过渡金属配合物光氧化还原催化剂还原电势的调控（图片来源：参考资料[3]）
还有一种则为不包含过渡金属中心的有机光氧化还原催化剂，今天要讨论的内容便与之相关。两类催化剂用于有机合成反应的研究均可追溯至上世纪70年代。1978年，荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）的Richard M. Kellogg教授等人使用Ru(bpy)3Cl2作为光敏剂，室温下实现了Hantzsch酯对锍鎓盐类化合物的还原。以锍鎓盐1a参与反应为例，在可见光的照射下，Ru(bpy)3Cl2对还原过程具有明显的加速作用，0.3 h便能以几乎定量的收率完成转化。不加入光敏剂或将体系置于暗处加热时反应效率大幅度下降。其间他们还尝试将Ru(bpy)3Cl2换作四苯基卟啉（TPP）或曙红Y，也取得了不错的结果。
Ru(bpy)3Cl2作为光敏剂实现Hantzsch酯对锍鎓盐类化合物的还原（图片来源：参考资料[6]）
TPP、曙红Y均为有机染料，与之类似，孟加拉玫瑰红、罗丹明B等结构同样可用作有机光氧化还原催化剂。这类催化剂与上文提到的RuII、IrIII配合物在可见光区都存在明显的光吸收，且激发态稳定、寿命长，为分子间的电子转移提供有利条件。当然，完成与底物分子或其他活性物种的电子转移还需催化剂本身（通常为激发态）具有合适的还原电势。过渡金属配合物可通过简单替换不同结构的配体来改变其还原电势，适应特定反应的需求。相比之下，这些有机染料分子进行骨架调整便十分繁琐，尽管早已商品化，但由于种类单一，研究热度远不及前者，在光氧化还原催化反应中的应用较为有限。
部分早期发展的有机光氧化还原催化剂
为此，不少人也开始着眼于设计新型的有机光氧化还原催化剂来填补这一空白，除了满足结构可灵活调控的前提，最好还要遵循原料廉价易得、合成路线简单、可回收利用的原则。花费精力研究此类催化剂的目的并不是在兜售“无金属参与反应”的概念，规避过渡金属催化剂固然能一定程度降低反应的成本，更重要的是为了发掘其独特的光物理及化学特性，完成常规RuII、IrIII配合物催化剂无法实现的化学转化。
再来看看今天的主角2,4,5,6-四（9-咔唑基）间苯二腈（4CzIPN），大家可能还会联想到早年人们发展的1,4-二氰基苯（p-DCB）、1,4-二氰基萘（DCN）、9,10-二氰基蒽（DCA）等氰基芳香烃类的光氧化还原催化剂。这种结构同样包含中心苯环和两个氰基，单重激发态（S1）能量很高，参与反应时还原电势在-0.7至-1.7 V之间，氧化电势可超过+2.0 V，氧化还原窗口宽，适用于多种不同的化学反应。不过，这类分子参与催化时形成的芳香自由基阴离子可能会与体系中的其他自由基或自由基离子物种反应，去芳构化后失去催化活性，因而催化剂负载量通常较高。
4CzIPN与氰基芳香烃类的光氧化还原催化剂
2012年，日本九州大学（Kyushu University）的Chihaya Adachi教授等人合成出一系列咔唑取代的二氰基苯（CDCB），其中便包括4CzIPN。这些化合物在波长为365 nm的紫外光照射下能产生不同颜色的荧光，用作热激活延迟荧光（TADF）材料掺杂到有机发光器件中内荧光效率超过90%，外发光效率也能达到20%左右，发光效率之高可媲美磷光材料。
一系列咔唑取代的二氰基苯（图片来源：参考资料[7]）
CDCB中的咔唑基团为电子给体，二氰基苯骨架用作电子受体，由此形成典型的“给体-受体（D-A）”结构。受空间位阻的影响，分子中的咔唑基与苯环并非处于同一平面，这种非共轭结构导致其HOMO与LUMO分立于给体与受体单元。假使将此类化合物用作光氧化还原催化剂，人们可通过改变咔唑基与氰基的位置、数量乃至额外的取代基修饰来调控上述两个分子轨道，催化剂的还原电势也能随之灵活变化。另外，CDCB在可见光区具有良好的摩尔吸光系数，激发态的寿命较长，也为促成其在光氧化还原催化反应中的应用带来了优势。
2016年，美国内布拉斯加大学林肯分校（University of Nebraska-Lincoln）的张剑教授团队抓住了这一契机。他们根据Adachi教授报道的方法合成了六种CDCB，还有一种二苯氨基取代的二氰基苯（3DPAFIPN）。研究发现，这些化合物在可见光的照射下具有很强的氧化电势（+1.10 ∼ +1.41 V）与还原电势（-0.99 ∼ -1.41 V）。对比常见的RuII、IrIII配合物光氧化还原催化剂，其氧化还原窗口宽度、激发态寿命等光物理数据均十分出色，其中4CzIPN的氧化、还原电势与催化性能优越的Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6旗鼓相当。
张剑教授合成的六种CDCB与3DPAFIPN（图片来源：参考资料[9]）
4CzIPN与常见的RuII、IrIII配合物及有机染料分子光氧化还原催化剂光物理数据的比较（图片来源：参考资料[4]）
随后，张剑教授尝试将上述七种结构作为光氧化还原催化剂，选择前不久其他团队发展的烷基羧酸与卤代芳香烃的脱羧偶联、苄基三氟硼酸钾参与的Suzuki-Miyaura偶联两种反应体系，考察其在C(sp3)-C(sp2)键偶联中的表现。这两种转化过程还需使用特定的Ni催化剂构成双催化循环，反应机理如下图所示。sp3杂化碳中心自由基前体烷基羧酸、苄基三氟硼酸钾要在具有强氧化电势（>+1.10 V）的光氧化还原催化剂作用下方能发生SET，产生烷基自由基活性物种。后续还原消除形成的NiI中间体还需在催化剂的还原电势小于-1.10 V时才能重生Ni0催化活性物种，完成催化循环。
Ni/光氧化还原催化C(sp3)-C(sp2)键偶联的反应机制（图片来源：参考资料[8]）
不同的CDCB与3DPAFIPN用作光氧化还原催化剂参与脱羧偶联的效果（图片来源：参考资料[9]）
Ni/4CzIPN催化烷基羧酸与卤代芳香烃的脱羧偶联（图片来源：参考资料[8]）
Ni/4CzIPN催化苄基三氟硼酸钾与溴代（杂）芳香烃的Suzuki-Miyaura偶联（图片来源：参考资料[8]）
自此，4CzIPN开始得到有机合成领域日益广泛的关注，许多人开始尝试利用这种结构作为IrIII配合物催化剂的替代品，开发各种不同的光氧化还原催化反应。例如，法国索邦大学（Sorbonne Universités）的Cyril Ollivier教授与Louis Fensterbank教授发现以苄基硅酸酯5作为自由基前体，在4CzIPN的作用下可形成相应的苄基自由基，进而被TEMPO捕获。相比之下，其他有机光氧化还原催化剂参与反应的效果则不尽如人意。
苄基硅酸酯5在不同有机光氧化还原催化剂的作用下形成苄基自由基的反应效果（图片来源：参考资料[10]）
他们进一步借助这种催化剂完成了烷基硅酸酯8对α,β-不饱和羧酸酯/卤代烯烃等自由基受体的加成。4CzIPN与NiCl2·dme/dtbbpy组成的双催化体系还能实现8与卤代（杂）芳香烃、烯烃的C-C键偶联。
4CzIPN催化烷基硅酸酯8对自由基受体的加成（图片来源：参考资料[10]）
Ni/4CzIPN催化烷基硅酸酯8与卤代（杂）芳香烃的C-C键偶联（图片来源：参考资料[10]）
既然是一种有机光氧化还原催化剂，大家可能更关心单独使用4CzIPN设计的无金属参与的反应，我们将在近期的文章中继续介绍这种催化剂在其他类型转化中的应用。
参考资料
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