钴基光催化在有机转化中的最新进展

一、研究背景与核心意义

随着全球不可再生资源的日益枯竭，以及化学和制药行业对高价值化学品需求的持续增长，开发利用可再生能源（如太阳能）的高效催化体系已成为当务之急。光催化技术凭借其温和的反应条件、环境友好性等优势，在有机合成领域备受关注。钴基光催化作为新兴研究方向，打破了传统双光催化依赖外源光敏剂的局限，通过钴配合物同时实现光子能量捕获与化学键断裂 / 形成过程，为有机转化提供了更高效、可持续的路径。

钴配合物具有独特的 redox 化学性质，能够通过 Co─C 键均裂产生碳中心自由基，在多种脱氢反应及 C─C、C – 杂原子键形成反应中展现出优异活性。其催化体系主要依赖可见光诱导均裂（VLIH）过程，通过配体 – 金属电荷转移（LMCT）跃迁启动反应，涉及 Co (I)、Co (II)、Co (III) 三种氧化态的相互转化，每种氧化态均具有独特的催化活性。此外，钴基光催化还可通过与半导体、光 redox 催化剂构建双催化体系，进一步拓展反应类型并提升催化效率，在绿色有机合成领域具有广阔应用前景。本文系统综述了钴基光催化的基本原理、 redox 化学特性及其在各类有机转化中的最新应用进展，为该领域的深入研究提供全面参考。

二、钴配合物的氧化还原化学特性

钴基光催化的核心基础是中心 Co (III) 阳离子的 redox 化学，不同氧化态的钴物种展现出截然不同的反应特性：Co (I) 物种具有亲核性，Co (II) 物种呈现自由基特征，而 Co (III) 物种则常用于启动均裂过程。这些氧化态之间的相互转化的通过单电子转移（SET）实现，构成了催化循环的关键环节。

钴阳离子在不同氧化态下具有独特的配位数和空间构型：Co (I) 多为平面正方形结构，Co (II) 常形成四方锥构型，Co (III) 则以八面体构型为主。这种构型差异使得钴配合物能够灵活适配不同的反应中间体，为多样化有机转化提供结构基础。

电化学研究表明，钴配合物的 redox 电位具有可调性：Co (II)/Co (I) 电对的标准还原电位通常在 -1.0 至 -1.8 V（vs SCE）之间，可通过电子供体、光催化剂或阴极实现还原；而 Co (III)/Co (II) 与 Co (II)/Co (I) 电对的阴极电位受配体影响显著，强配位配体（如腺苷、甲基）会使还原电位向更负方向移动，弱配位配体（如水）则有利于分步单电子还原过程。这种 redox 特性的可调性，为钴基光催化体系的设计与反应选择性调控提供了重要依据。

三、钴基光催化在有机转化中的主要应用

（一）炔醛的还原环化反应

Nakamura 等人报道了一种光 redox / 钴双催化体系，以水作为催化剂周转的氢源，实现了炔醛的高效还原环化反应。该反应适用于脂肪族和芳香族醛类底物，可高效构建五、六、七元（杂）环结构，且通过原位生成醛的策略，将缩醛直接作为反应原料，缩短了合成路径。

反应机制如下：光催化剂（4CzIPN）受光激发后氧化三乙胺生成自由基阴离子，该自由基阴离子将 Co (II) 催化剂还原；还原态钴催化剂通过炔烃与羰基的氧化环加成形成氧钴杂环中间体，经进一步还原质子化生成环醇产物；同时，α- 氨基烷基自由基通过单电子转移再生还原态光催化剂，完成催化循环。该方法避免了使用对空气敏感的醛类底物，具有更高的实用性和环境友好性。

（二）Minisci 反应

Sharma 团队开发了一种可见光增强的光 redox / 钴双催化 Minisci 反应，以硼酸及其衍生物（三氟硼酸盐、频哪醇酯）作为烷基自由基前体，实现了 N – 杂芳烃的高效烷基化。钴助催化剂在还原淬灭路径中促进光催化循环的氧化阶段，无需使用化学计量的无机氧化剂，显著提升了反应的原子经济性。

该反应具有良好的流动反应兼容性， throughput 可达 0.78 mmol・h⁻¹，远高于批次反应（0.02 mmol・h⁻¹），便于规模化应用。机理研究表明，光催化剂受激后氧化硼酸生成烷基自由基，该自由基进攻质子化的杂环核心；钴配合物与自由基中间体反应生成 Co (II)-H 物种，通过 β- 氢消除得到目标产物，同时 Co-H 物种在酸性介质中释放氢气并再生 Co (II) 催化剂。反应对喹诺酮类底物的 C2 – 烷基化具有高度选择性，为 N – 杂芳烃的功能化提供了高效路径。

（三）酰基三唑介导的自由基偶联反应

Tan 和 Hong 发现酰基三唑可作为高效的自由基前体，在钴催化下通过单电子转移生成持久性自由基中间体，进而参与自由基交叉偶联反应。该体系中，酰基三唑既作为自由基源，又可作为配体与钴催化剂配位，无需额外添加配体即可高效合成各类酮类产物。

反应机制涉及连续光诱导电子转移（conPET）过程：光催化剂（4CzIPN）受激后与 iPr₂NET 发生单电子转移，生成的强还原性光催化剂自由基阴离子将钴 – 底物中间体还原，引发 Co─C 键均裂生成钴配位的酮基自由基和 Co (I) 物种；Co (I) 物种质子化形成 Co (II)-H 中间体，通过氢原子转移（HAT）与苯乙烯反应生成苄基自由基；苄基自由基与酮基自由基发生交叉偶联，脱除三唑离去基团后得到目标酮产物并再生钴催化剂。该方法为自由基交叉偶联反应的设计提供了新思路。

（四）轴手性杂联芳烃的构建

Xiao 等人开发了一种不对称金属光 redox 催化（AMPC）策略，通过可见光驱动的不对称自由基偶联，实现了外消旋杂联芳烃的动态动力学不对称转化，高效构建轴手性杂联芳烃骨架。该体系将有机光 redox 催化与不对称钴催化相结合，关键在于设计高效的手性多齿配体，为手性杂联芳烃的合成提供了全新路径。

反应机制如下：低价钴物种通过氧化加成生成阳离子环状钴中间体，手性配体诱导中间体发生轴向旋转，实现 (R)- 中间体向 (S)- 中间体的转化；手性钴中间体不对称捕获光 redox 生成的自由基，经还原消除得到轴手性产物。快速的轴向旋转和立体选择性自由基捕获是实现高对映选择性的关键，该方法为传统贵金属催化难以实现的手性杂联芳烃构建提供了有效工具。

（五）未活化烯烃的 Markovnikov 氢胺化反应

Zhang 团队开发了一种自由基 – 极性交叉金属催化氢原子转移（MHAT）策略，通过光 redox / 钴双催化体系，实现了未活化烯烃的高选择性 Markovnikov 氢胺化反应。该反应适用于多种氮源（仲胺、芳基伯胺衍生物、亚磺酰亚胺、唑类衍生物）和脂肪族烯烃，可用于生物活性分子和天然产物的后期官能化。

反应机制涉及多步电子转移与配位过程：Ir (III) 光催化剂受光激发后将 SalenCo (II) 还原为 SalenCo (I)，并生成 Ir (IV) 物种；Co (I) 与质子源反应形成 Co (III)-H 中间体；通过 Co (III)-H 介导的 MHAT 过程，烯烃转化为烷基自由基，进而形成烷基钴 (III) 物种；Ir (IV) 物种将烷基钴 (III) 氧化为烷基钴 (IV) 中间体，后者与胺亲核试剂发生分子内 S_N² 取代反应，生成胺化产物并再生 Co (II) 催化剂。

（六）未活化烯烃的 Markovnikov 氢烷氧基化反应

Ohmiya 等人报道了一种光 redox / 钴 / Brønsted 酸三催化体系，在可见光照射下实现了未活化烯烃与醇的 Markovnikov 氢烷氧基化反应。该体系通过三种催化剂的协同作用，精准控制质子与电子转移过程，避免了传统方法中强酸碱和外源氧化还原剂的使用。

反应机制如下：光催化剂受激后将 Co (II) 还原，经 Brønsted 酸质子化生成 Co (III)-H 物种；Co (III)-H 与烯烃发生放热 MHAT 反应，生成烷基自由基和 Co (II) 物种，二者进一步平衡形成烷基钴 (III) 中间体；光催化剂自由基阳离子将烷基钴 (III) 氧化为烷基钴 (IV) 物种，同时再生光催化剂；烷基钴 (IV) 与醇亲核试剂发生取代反应，生成二烷基醚产物并再生 Co (II) 催化剂。

（七）其他重要有机转化

1. 醛的烯丙基化反应：Cozzi 等人发现 TADF 活性卤代间苯二甲腈类光催化剂可光转化为咔唑 – 1,3 – 二甲腈衍生物，该衍生物与钴构建双催化体系，实现了醛的高效烯丙基化反应，以良好产率生成高烯丙醇类产物。
2. 醛的非对映选择性和对映选择性丙炔基化反应：Meng 团队开发了光 redox / 钴催化体系，通过丙炔基自由基路径，实现了外消旋丙炔基碳酸酯与醛的区域、非对映和对映选择性丙炔基化反应，高效合成各类高丙炔醇化合物。
3. α,β- 环氧酮的合成：Thakur 等人报道了首个钴基均相光催化体系，以水为溶剂，通过烯烃与醛的氧化偶联，温和高效地合成 α,β- 环氧酮类化合物，该方法具有良好的底物适用性和官能团耐受性。
4. （杂）芳烃 C (sp²)-H 键的三氟甲基化反应：Soper 等人开发了一种钴光催化剂，通过可见光激活 Co-CF₃ 中间体，实现了（杂）芳烃 C (sp²)-H 键的直接三氟甲基化反应，为含三氟甲基化合物的合成提供了简洁路径。
5. C (sp²)-N 交叉偶联反应：MacMillan 团队利用 Marcus 反转区特性，设计了高 redox 电位且激发态寿命长的钴 (III) 多吡啶配合物，实现了芳基酰胺与位阻较大的芳基硼酸的氧化 C (sp²)-N 交叉偶联反应。
6. 缺电子烯烃的环丙烷化反应：Pitre 等人以维生素 B₁₂ 作为光催化剂，以二氯甲烷为亚甲基源，实现了缺电子烯烃的高效环丙烷化反应，该方法具有良好的官能团耐受性和化学选择性，可用于药物分子的后期修饰。
7. 烯烃的 1,3 – 二膦化反应：Shi 等人报道了钴催化的烯烃自由基 1,3 – 二膦化反应，在温和条件下无需额外氧化还原剂和光敏剂，高效合成 1,3 – 二膦骨架化合物，初步生物活性测试表明这类化合物具有潜在抗癌活性。

四、总结与展望

钴基光催化凭借其独特的 redox 化学特性和多样化的反应模式，已发展成为有机合成领域的重要研究方向。该体系通过钴配合物与可见光的协同作用，实现了包括环化、偶联、氢官能化等多种类型的有机转化，具有反应条件温和、底物适用性广、原子经济性高的显著优势。其核心创新在于：钴配合物兼具光敏剂与催化剂双重功能，无需外源光敏剂即可启动反应；通过与光 redox 催化剂、半导体等构建双催化体系，进一步拓展了反应边界；利用钴物种的多氧化态特性，实现了传统催化难以完成的自由基介导转化。

当前，钴基光催化已成功应用于炔醛还原环化、Minisci 烷基化、轴手性化合物构建、烯烃氢胺化 / 氢烷氧基化等多种重要有机转化，为复杂分子合成提供了高效路径。然而，该领域仍面临一些挑战：部分反应的催化效率与贵金属催化相比仍有差距；高对映选择性催化体系的设计依赖特定手性配体，通用性不足；对于反应机理的深入理解仍需借助先进的原位表征技术。

未来研究方向应聚焦于：开发新型钴配合物催化剂，通过配体工程调控 redox 电位与激发态特性；设计更高效的手性催化体系，拓展不对称转化的反应类型；结合原位光谱、理论计算等手段，深入揭示催化循环中的关键中间体与电子转移过程；探索钴基光催化在复杂天然产物全合成与药物分子修饰中的应用，推动该技术从实验室走向工业化。随着研究的不断深入，钴基光催化有望成为绿色有机合成领域的核心技术之一，为可持续化学合成提供强有力的支撑。