有机催化可见光光氧化反应在药物化学中的应用

本综述的重点是提供与合成药物化学相关的有机催化光氧化学化学领域的概述。Photoredox转化已被证明能够实现对制药行业至关重要的关键转换。这种类型的化学也表现出高度的可持续性，特别是当可以使用有机染料代替通常有毒和对环境有害的过渡金属时。根据所提出的反应的一般类别排列这些部分，并考虑这些方法对药物化学的价值。概述了光催化剂的一般特性以及一些电化学数据。此外，

关键词： C-H官能化; 杂环; 后期功能化; 药物化学; 有机染料; 有机光催化剂; 肽化学; 光氧化还原催化

1简介

1.1有机催化光氧化学的主要优点

Photoredox催化是有机合成领域的一个新兴领域，近年来已成为许多综述的主题[1-9]。一些覆盖操纵或安装各种官能团的[10-17] ，特定键的合成（C-C或C-N等。）[18-21]或天然产物或杂环的合成[22-27]。其他人提供了催化剂的概述及其实现的转化[28-33]。将photoredox合成和药物化学联系起来的最相关的综述是Stephenson [34]。

有机催化通常提供优于过渡金属介导的催化的若干优点。例如，在纯化过程中除去催化剂要简单得多。此外，所用的有机分子通常对环境有害并且对各种生命形式有毒。

与传统的热驱动工艺相比，光化学还具有优势。已经报道了利用太阳光作为能量来驱动特定反应的若干转化过程，并且在该综述中呈现的一些反应也实现了这一点。这是进行化学转化的最具能量可持续性的方式。使用光子能量的结果是光化学转化通常比传统反应需要更少和/或更少的反应性（其与毒性和环境影响相关）组分。

有机催化的光氧化催化剂结合了这两个领域的优点。因此，它不仅是一个充满激动人心的发现的新领域，而且从长远来看也是可持续和有益的。

1.2光催化剂的一般特性

1.2.1简要的光物理概述。有几个因素会影响有机分子作为光催化剂的能力。在典型的有机催化光氧化还原反应中，光催化剂从单重基态（S 0）转变为长寿命和相对稳定的激发态，单重激发态（S 1）或三重激发态（T 1），与能量吸收光子ħ ν，然后经历光诱导电子转移（PET）。在此之后，光催化剂相应地还原或氧化，使得其返回其基态和天然氧化态（图1和图2）。

如果光催化剂在相对长的波长下具有局部吸收最大值（λmax），则是理想的。较低能量的光子避免激发其他反应物，并防止发生竞争性光化学，参见 紫外光线。然而，吸收的光子的能量也决定了催化剂激发态的能量。在较长波长处具有λmax的催化剂在相对低的能量下具有激发态，因此不具有非常强的氧化或还原能力。一个良好的平衡是由具有λ分子达到最大在可见区域。许多有机分子具有一定的紫外吸收，但在光谱的可见部分吸收很少或没有，因此不太可能激发其他反应物。可见光光子的能量足够高，以产生具有足够反应性的激发态以进行PET。

一旦分子被电子激发，就有多条通道可以通过它们衰变回到S 0。激发态可以通过非辐射过程衰减，例如振动弛豫。它也可以通过荧光或非辐射发射返回到S 0。在S 1（或T 1）中，可以发生Förster共振电子转移（FRET），这是一种通过非辐射偶极 - 偶极耦合在发色团之间传递能量的过程。

通常假设非辐射过程以比辐射过程慢得多的速率发生。因此，S 1的寿命（τs1）大致等于荧光寿命（τf）。通常，如果分子参与S1状态的反应，其τf必须大于1ns; NB，扩散速率常数（k diff）≈1-2×10 10 s -1。

荧光量子产率（Φ ˚F）是考虑确定所述S是否当另一个关键参数1的分子的状态很可能是参与PET。具有低ΦA分子˚F将不大可能在S中找到1状态，因为该状态下将是很容易受到在PET的时间刻度其他衰减通路。

对于一个分子经历PET时在T 1状态中，系间窜越的量子产率（Φ ISC）必须相当或比Φ大˚F和，更重要的是，用于ISC（速率常数ķ ISC）必须类似于荧光的速率常数（k f）。T形的寿命1状态（τ T1）通常为数量级比电子转移（ET）的时标时间越长，这意味着τ T1不改变PET工艺的效率。

T 1的衰变可以忽略不计，因为引起这种情况的过程（主要是磷光）是对称性的，因此非常慢。因此，如果分子通过可见光激发可以达到T 1状态，那么它可以被认为是光催化剂催化剂，因为它可能能够参与ET。

1.2.2简要的电化学概述。在这篇综述中，Nicewicz在其全面审查中提出的符号被采纳[35]。因此，所有还原电位将使用E x（Ox / Red）形式的符号来表示，其中x =“红色”或“ox”，括号中的物质是指反应物和半反应的产物（等式1））。

其中Ox =氧化形式，红色=所讨论物种的还原形式。

始终假定半反应写入减少发生的方向。

因此，例如在半反应（2）中，氧化还原电位用符号E red（曙红Y /曙红Y · -）表示。符号“*”用于表示物种何时处于激发电子状态，然后引导本综述中采用的一般格式来描述光催化剂的氧化还原电位变为E * x（Ox / Red）。

光催化剂和要经历PET的基材的电化学数据允许估计PET的可行性。

以下等式可用于估算从基板到激发态光催化剂的PET是否可行：

相反，以下等式可用于预测从激发态光催化剂到基材的PET是否是自发的：

在两种情况下Δ ģ PET是PET时的自由能变化，˚F是法拉第常数和Ë 0,0是激发态的能量。

从这些方程式可以得出结论，对于PET发生使得激发的催化剂被还原，E * 红（cat * / cat · -）必须比E ox（sub •+ / sub）更大（更正）。相反，对于从激发的光催化剂（氧化）到基质发生的PET，E * ox（cat •+ / cat *）必须比E red（sub / sub • -）更负。

在关于光催化剂的还原或氧化能力的评论或建议的情况下，已经进行了相关数据的比较和这些电化学考虑。

1.3最常用的催化剂

在本综述中提供的文献中经常遇到以下光催化剂。这里给出了这些光催化剂的一些基本数据，以便在读者的结构，电化学和光物理性质方面作为参考者的简单参考。

图3显示了在本综述中提出的反应中作为光催化剂多次使用的各种化合物的结构。在使用除这些之外的光催化剂的情况下，它们的结构将在反应方案中给出。