提到麻省理工学院化学系的大牛Stephen L. Buchwald，大家可能首先想到的是碳氮键的形成和Buchwald-Hartwig偶联反应；而提到普林斯顿大学化学系的大牛David W. C. MacMillan，自然绕不过光氧化还原催化（Photoredox catalysis）。那当这两位大牛联手时，又会碰撞出神马样的智慧火花？或许您已经猜到了，光氧化还原催化的碳氮键形成！大牛就是这样任性，您能想到的，他们已经做出来了，并且灌在了顶级期刊《Science》上，让你空余羡慕嫉妒恨。当然，他们之间除了光氧化还原催化的碳氮键形成，还有Buchwald的碳氧键形成、碳碳键形成、碳氟键形成以及copper hydride的化学（点击阅读相关），还有MacMillan的小分子催化和天然产物全合成，还有诗和远方……
Anyway，我们还是解读一下两位大牛抱团发表的这篇论文，看看他们都做了些啥，再聊聊这一工作为什么能发在《Science》上。（Aryl amination using ligand-free Ni(II) salts and photoredox catalysis. Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aag0209）。
碳氮键广泛存在于药物分子和天然产物中，碳氮键形成的重要性不言而喻，而芳卤和胺在过渡金属的催化下形成芳胺如Buchwald-Hartwig偶联反应就是一种极其常见且极其重要的碳氮键形成反应。
图 1. 图片来源：Science
通常的过渡金属如钯催化的碳氮键偶联反应中，都是通过位阻或者电性对配体进行调整，使生成的含氮钯络合物中间体不稳定，促使其发生还原消除而形成碳氮键的。那么对于和钯同族的金属镍又该当如何呢？理论计算和实验数据表明，对于含氮的二价镍络合物中间体到零价镍的还原消除在热力学上是不利的，室温下几乎不能发生还原消除。而如果和光氧化还原联合起来，通过单电子转移，把二价镍氧化到三价镍，那三价镍到一价镍的还原消除则是很容易发生的（是不是看着很眼熟？没错，X-MOL去年曾经解读过MacMillan类似的文章，点击阅读相关）。在如图2所示的催化循环中，零价镍氧化加成并配体交换后，形成含氮的二价镍络合物中间体6，在光氧化还原催化下，通过单电子转移（SET）过程，被激发态的三价铱氧化为三价镍，得到中间体7，7发生还原消除得到芳胺产物10，同时生成一价镍化合物9，9再通过SET过程把二价铱氧化成三价，镍自身还原为零价，进入新的催化循环。
图 2. 图片来源：Science
有了这样的催化循环，最佳反应条件也随后确定：5 mol%的零价镍催化剂、0.02 mol%铱催化剂、DABCO作碱、DMA作溶剂，蓝光照射下发生反应。对照实验发现，镍催化剂、光氧化还原催化剂和光源缺一不可。底物扩展研究发现，改变胺部分，各种一级胺和二级胺都能以中等到良好的收率得到偶联产物；改变芳香溴代物部分，氰基、卤素、磺酰胺、酯基等基团都可以兼容，取得良好的结果。
图 3. 图片来源：Science
最后，作者还将这一碳氮键形成方法用于18个较为复杂的药物类似物的偶联反应中，大部分都取得了良好的收率。
总结：
Buchwald和MacMillan两大巨头强强联手，将光氧化还原催化和镍催化用于碳氮键形成反应，通过改变镍的氧化价态顺利发生还原消除，从而实现碳氮键生成。这是对传统的钯催化碳氮键形成反应的重要补充，在有机合成中的应用范围将不断拓宽。讲到这里，应该有读者要问问这篇文章为什么能发在《Science》上，小编认为作者都是大牛肯定是个加分项，而且还是两个抱团的大牛！不过工作本身也很出色，通过光氧化还原和无配体镍催化，实现了碳氮键的生成，构建了芳胺，反应温和，催化剂经济价廉，底物适用性广泛，是一种新的反应模式，是对传统方法的重要补充，会在有机合成中和药物合成中得到广泛应用。
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