最近，2021届诺贝尔化学奖得主、德国马普煤炭所Benjamin List课题组，基于组内发展的ACPC策略，实现烯烃的区域选择性和立体选择性环丙烷化。作者利用组内发展的对映体纯强酸性IDPi催化剂作为抗衡阴离子，和非手性噻吨阳离子组成TXT-IDPi催化剂，经“不对称抗衡阴离子导向光氧化还原催化体系”ACPC（Asymmetric Counteranion-directed Photoredox Catalysis），催化烯烃和重氮烷发生选择性环丙烷化。本文是Benjamin List组基于ACPC策略发表的第二篇光催化文章，第一篇是发表在Science上的光催化烯烃不对称[2+2]环加成（Science 2023, 379, 494-499），共同一作都是朱晨丹博士。相关研究成果于2025年5月16日在线发表在Nature catalysis杂志上（Nat. Catal. 2025, DOI: 10.1038/s41929-025-01340-7）。
烯烃和重氮烷环丙烷化经典方法：如Fig. 1a所示，包括过渡金属催化环丙烷化和金属酶催化环丙烷化两类。两种方法虽然在策略和概念上存在不同，但都是通过形成一种亲电性金属卡宾体实现环丙烷化。其中，1）过渡金属催化环丙烷化应用很广泛，发展出基于铜、铑、钌、镍等过渡金属催化剂和配体的各种催化剂；2）金属酶催化环丙烷化，由Frances H. Arnold组通过改造细胞色素P450酶实现（Science 2013, 339, 307-310），John F. Hartwig组报道的铱修饰肌红蛋白（Nature 2016, 534, 534–537）和Jay D. Keasling等人报道的P450酶变体（Nature 2023, 617, 403–408），进一步发展了此方法。这两种方法，对含多个碳碳双键的烯烃底物，存在区域选择性难题。
此研究工作简介：基于前人研究成果，和组内2023年报道基于ACPC策略的光催化烯烃不对称[2+2]环加成（Science 2023, 379, 494-499），作者设计出一种无需通过金属卡宾体实现环丙烷化的ACPC策略有机光催化方法，实现方法互补并解决区域选择性难题。如Fig. 1b所示，对映体纯IDPi催化剂作为抗衡阴离子的激发态阳离子有机光催化剂，通过单电子转移活化烯烃，生成高活性烯烃自由基阳离子中间体；此中间体和重氮烷发生对映选择性C-C键形成，脱去氮气得到环丙烷阳离子中间体，最后发生单电子转移生成环丙烷产物，并再生基态阳离子光催化剂，完成ACPC循环。
（Fig. 1，图片来源：Nat. Catal.）
条件筛选：作者首先以反式-茴香烯1a和重氮乙酸乙酯2a为模板底物，开展反应条件筛选研究。通过对IDPi催化剂（主要）、溶剂、温度等参数进行细致优化，得出Fig. 2所示优选反应条件：2.5 mmol% TXT-IDPi催化剂4F、家用6W绿色LED光源，二氯甲烷/正戊烷作溶剂于-100℃下反应，能以90%高产率和99:1的e.r.值以及大于20:1的d.r.值，得到理想三取代环丙烷3a。
（Fig. 2，图片来源：Nat. Catal.）
TXT-IDPi催化剂合成方法：将非手性噻吨盐（thioxanthylium）光催化剂，和作为抗衡阴离子的对映体纯IDPi催化剂，在碳酸氢钠作用下进行盐交换，萃取分离纯化后可得所需TXT-IDPi催化剂，操作步骤详见图1。
（图 1，图片来源：Nat. Catal.）
超低温光反应装置：作者所用的超低温光反应装置，详见下图SI中Figure 1。
（Figure 1 in SI，图片来源：Nat. Catal.）
底物拓展和应用：1）如Fig. 3a所示，在优选反应条件下，各种苯乙烯类、杂芳基乙烯类烯烃，和羧酸酯类、酮类、酰胺类重氮烷，都能以可观产率和对映选择性、非对映选择性得到多取代环丙烷3a-3r。三甲基硅重氮甲烷也能参与反应，所得产物3s收率高但选择性比较差；2）如Fig. 3b和3c所示，多烯烃底物，包括对称二烯1t，非对称共轭二烯1v和共轭三烯1w、1x，都能高产率和高选择性得到对应环丙烷产物3，验证了反应的高区域选择性；3）如Fig. 3d所示，所得产物3a可以经氧化裂解得到羧酸衍生物6，或经氢化铝锂还原和Steglich酯化得到二茂铁酯7。
（Fig. 3，图片来源：Nat. Catal.）
底物局限性：缺电子苯乙烯、吲哚类烯烃等，反应效果不好，详见下图SI中Figure 2。
（Figure 2 in SI，图片来源：Nat. Catal.）
有趣现象和结论：1）如Fig. 4a和4b所示，降低光催化剂当量，产物e.e.值少量降低，增大重氮酯当量，产物e.e.值也少量降低，这两个结果暗示了一个非对映选择性光化学背景途径，这一背景反应性可能和光源的光波长有光；2）如Fig. 4c和4d所示，产物3a的e.e.值，按蓝光、绿光、黄光、红光的顺序递增。进一步验证3个烯烃1和2a的反应，也发现在黄光照射下所得产物3比蓝光照射下e.e.值明显提高。
（Fig. 4，图片来源：Nat. Catal.）
机理研究实验和结论：1）Fig. 5a和5b的紫外-可见光谱研究显示，重氮酯2a的最大吸收波长在397 nm，光催化剂4F的最大吸收波长在472 nm；2）Fig. 5c的荧光光谱研究发现，光催化剂4F在472 nm光源照射下发出627 nm发射光谱，在350 nm光源照射下发出395 nm发射光谱；3）Fig. 5d的荧光光谱研究发现，重氮酯2a的吸收带与光催化剂4F的发射带在较低波长处有明显重叠，因此作者认为正是重氮酯的这种较低波长激发模式参与了光化学背景途径；4）Fig. 5e和5f的Stern–Volmer荧光淬灭研究，分别在472 nm和350 nm光源下激发光催化剂4F，然后分别用不同浓度烯烃1a或重氮酯2a淬灭之，结果发现在472 nm光源下淬灭与烯烃1a相关，在350 nm光源下淬灭与重氮酯2a相关；5）SI中Figure 3的自由基捕获试剂和自由基钟实验，排除反应中存在自由基中间体，SI中Figure 4所示Z型和E型烯烃参与控制实验，发现可以得到四种非对映异构体产物，且Z型烯烃和E型烯烃在光反应条件下不互相转变，因而反应是通过逐步的自由基阳离子机理发生，与Fig. 1b所提催化循环一致，也与已报道文献一致（Adv. Synth. Catal. 2020, 362, 2183–2188）。
（Fig. 5，图片来源：Nat. Catal.）
（Figure 3 in SI，图片来源：Nat. Catal.）
（Figure 4 in SI，图片来源：Nat. Catal.）
基于组内发展的ACPC策略，Benjamin List课题组报道了TXT-IDPi光催化、多种烯烃的区域选择性和立体选择性环丙烷化。该研究成果，验证了ACPC策略在烯烃反应中控制自由基阳离子选择性的潜力，补充了以前的报道。