近日，南京大学谢劲课题组在惰性碳氯键活化领域取得新进展，他们利用可见光介导的双核金催化策略，实现了偕二氯烷烃的多样性脱卤烷基化，一箭四雕，扩展了偕二氯烷烃在有机合成中的应用模式。该工作以“Photoinduced gold-catalyzed divergent dechloroalkylation of gem-dichloroalkanes”为题于2022年12月15日在线发表于Nature Catalysis（DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-022-00881-5）。南京大学2020级博士生嵇成龙和特聘副研究员韩杰为该论文的共同第一作者，谢劲教授为该论文的通讯作者。
如何直接有效地构建C(sp3)–C(sp3)键，一直是有机合成领域的中心任务之一。近年来，过渡金属催化下碳碳键的构建已经取得了良好进展，而利用可见光促进的烷基卤化物与烯烃的自由基转化则是一种新兴策略。与烷基溴、烷基碘相比，烷基氯代物来源更加丰富、性质更加稳定，是更理想的C(sp3)源，但由于其还原电势较低、键解离能更强，在光催化的自由基转化方面报道仍相对较少。
谢劲课题组长期从事双核金属催化的高效化学转化研究(Chem. Rev.2021, 121, 8868; Chem. Soc. Rev.2021, 50, 1874; Nat. Synth. 2022, 1, 475; Nat. Chem.2021, 13, 182; Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 12789; Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 8430; Chem2019, 5, 2718; Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 12906.)。尽管一些双核金配合物已经在C-Br和C-I键活化方面表现出独特的光催化活性，但对惰性C-Cl键的活化仍十分困难，主要由于其具有较低的淬灭速率常数以及较强的键解离能。谢劲课题组通过配体环境微调控策略有效提升了双核金配合物的光催化活性，成功解决了惰性C-Cl键的高选择性活化难题。利用激发态双核金催化，一系列偕二氯烷烃可以同时视为氯烷基自由基、烷基自由基阳离子、卡宾的等价物，能够与不同种类的烯烃发生可控的多样性脱氯烷基化反应（“一箭四雕”），如氢氯烷基化、氯烷芳化、形式上的[4+1]环化以及环丙烷化等。
特别值得一体的是，经典的Simmons-Smith环丙烷化反应往往都需要使用到不稳定的偕二碘烷烃，而该激发态双核金策略可以直接使用来源更广、更稳定、操作更简便的偕二氯烷烃作为烯烃的环丙烷试剂，是对Simmons-Smith环丙烷化的一个扩展与补充。
同时，该方法具有克级制备能力，并能成功运用于多种复杂药物分子和天然产物衍生物的脱卤烷基化修饰。商品化的氘代二氯甲烷在该策略下也可以直接作为相应的氘代试剂，发生可控的脱氯烷基化反应，快速制备系列含氘的化合物，有望在有机合成、生物医药领域进一步应用。
机理研究发现，体系中加入自由基抑制剂后反应被彻底抑制，表明该反应为自由基过程。向体系中加入PBN后，电子顺磁共振波谱也揭示了氯甲基自由基的生成。此外，紫外可见吸收和自由基浓度实验，证实了双核金催化剂与HEH通过弱相互作用形成了一个新的吸光物种，从而增强对蓝光的吸收。最后，对单电子转移（SET）这一关键反应步骤的理论计算发现，外层SET的能垒高达30 kcal/mol，而内层SET的能垒只有5.1 kcal/mol。因此，在该催化体系中，内层单电子转移对C-Cl键的活化起着关键作用。
本研究发展了基于内层单电子转移机制的激发态下双核金催化偕二氯烷烃的可控脱氯烷基化反应，实现了不同烯烃参与的氯烷基化、氯烷芳基化和环丙烷化反应。上述研究工作得到了国家自然科学基金（(22122103, 21971108, 22101130, 21971111, 21732003）、国家重点研发计划（2022YFA1503202，2021YFC2101901）江苏省自然科学基金（BK20190006）、中央高校基本科研业务费专项（020514380252, 020514380272）、配位化学国家重点实验、江苏省先进有机材料重点实验室和化学与生物医药创新研究院（ChemBIC）的支持。