可見(jiàn)光促進(jìn)氧化還原反應(yīng)：吲哚與異喹啉合成的創(chuàng)新路徑一、引言1.1研究背景與意義在有機(jī)合成領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)綠色、高效、選擇性好的合成方法一直是化學(xué)家們不懈追求的目標(biāo)?？梢?jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)作為一種新興的合成策略，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注，在有機(jī)合成領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。傳統(tǒng)的有機(jī)合成方法往往依賴(lài)于高溫、高壓、強(qiáng)氧化劑或還原劑等苛刻條件，這不僅能耗高、副反應(yīng)多，還可能對(duì)環(huán)境造成較大壓力。而可見(jiàn)光作為一種清潔、可再生的能源，具有能量適中、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效避免傳統(tǒng)方法的諸多弊端。在可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)中，光催化劑吸收可見(jiàn)光后被激發(fā)至激發(fā)態(tài)，進(jìn)而與底物發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，生成具有高反應(yīng)活性的自由基或離子自由基中間體。這些中間體能夠參與多種化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以達(dá)成的化學(xué)鍵的構(gòu)建與轉(zhuǎn)化，為有機(jī)合成提供了更為豐富和多樣化的途徑。比如，通過(guò)該反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)一些在傳統(tǒng)條件下需要多步反應(yīng)才能完成的復(fù)雜分子的合成，簡(jiǎn)化了合成步驟，提高了合成效率。同時(shí)，由于反應(yīng)條件溫和，能夠更好地兼容各種官能團(tuán)，減少了對(duì)底物結(jié)構(gòu)的限制，為新型有機(jī)化合物的合成提供了更多可能性。吲哚和異喹啉類(lèi)化合物作為兩類(lèi)重要的含氮雜環(huán)化合物，在有機(jī)合成中具有關(guān)鍵作用。吲哚類(lèi)化合物廣泛存在于天然產(chǎn)物、藥物分子和功能材料中。許多具有生物活性的天然產(chǎn)物，如生物堿、萜類(lèi)化合物等，都含有吲哚結(jié)構(gòu)單元，這些天然產(chǎn)物在醫(yī)藥、農(nóng)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值。在藥物研發(fā)中，吲哚類(lèi)化合物常常作為關(guān)鍵的藥效基團(tuán)，參與到藥物與生物靶點(diǎn)的相互作用中，展現(xiàn)出抗菌、抗炎、抗腫瘤、抗病毒等多種生物活性。例如，在治療心血管疾病的藥物中，某些吲哚衍生物可以通過(guò)調(diào)節(jié)體內(nèi)的生理活性物質(zhì)，達(dá)到降低血壓、改善心臟功能等治療效果；在抗腫瘤藥物的研究中，吲哚類(lèi)化合物能夠特異性地作用于腫瘤細(xì)胞的相關(guān)靶點(diǎn)，抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和擴(kuò)散。異喹啉類(lèi)化合物同樣在藥物化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域有著不可或缺的地位。在藥物化學(xué)中，許多異喹啉衍生物具有顯著的生物活性，被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)藥物、心血管藥物、抗菌藥物等的研發(fā)。例如，一些異喹啉類(lèi)生物堿具有鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜、麻醉等作用，是重要的天然藥物活性成分；某些異喹啉衍生物還能夠通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)通路，影響細(xì)胞的增殖、分化和凋亡，從而展現(xiàn)出抗腫瘤活性。在材料科學(xué)中，異喹啉類(lèi)化合物可以作為構(gòu)建功能性材料的重要單元，用于制備有機(jī)發(fā)光二極管、傳感器、催化劑載體等。比如，含有異喹啉結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子在有機(jī)發(fā)光二極管中能夠有效地發(fā)射熒光，提高器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性；在傳感器領(lǐng)域，異喹啉衍生物可以與特定的分析物發(fā)生特異性相互作用，產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的高靈敏檢測(cè)?？梢?jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)為吲哚和異喹啉類(lèi)化合物的合成提供了新的策略和方法，與傳統(tǒng)合成方法相比，具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。在反應(yīng)條件方面，傳統(tǒng)合成吲哚和異喹啉類(lèi)化合物的方法通常需要高溫、高壓或者使用大量的化學(xué)試劑，這不僅增加了反應(yīng)成本，還可能帶來(lái)環(huán)境污染和安全隱患。而可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)在溫和的條件下即可進(jìn)行，一般在室溫或較低溫度下就能實(shí)現(xiàn)高效的反應(yīng)，大大降低了能耗和反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。在原子經(jīng)濟(jì)性方面，該反應(yīng)能夠通過(guò)巧妙的反應(yīng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)原子的高效利用，減少副產(chǎn)物的生成，符合綠色化學(xué)的理念。在反應(yīng)選擇性方面，光催化劑的選擇和反應(yīng)條件的優(yōu)化可以精確地調(diào)控反應(yīng)的選擇性，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定位置和構(gòu)型的官能團(tuán)化，從而合成出具有特定結(jié)構(gòu)和功能的吲哚和異喹啉類(lèi)化合物。本研究深入探討可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)在吲哚和異喹啉合成中的應(yīng)用，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，有助于進(jìn)一步揭示可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)的機(jī)理和規(guī)律，豐富有機(jī)合成化學(xué)的理論體系，為開(kāi)發(fā)更多新型的有機(jī)合成反應(yīng)提供理論指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)反應(yīng)機(jī)理的深入研究，可以明確光催化劑、底物和反應(yīng)條件之間的相互作用關(guān)系，為合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，能夠?yàn)檫胚岷彤愢?lèi)化合物的合成提供更加綠色、高效、選擇性好的方法，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。在藥物研發(fā)中，高效的合成方法可以加速新型藥物的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，降低藥物研發(fā)成本，為解決人類(lèi)健康問(wèn)題提供更多有效的藥物選擇；在材料科學(xué)中，能夠?yàn)橹苽渚哂刑厥庑阅艿墓δ懿牧咸峁╆P(guān)鍵的合成技術(shù)，滿足電子、能源、環(huán)保等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系男枨蟆?.2可見(jiàn)光促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的原理可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)的基本原理基于光催化劑在可見(jiàn)光照射下的激發(fā)以及隨后與底物之間的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。光催化劑是實(shí)現(xiàn)這類(lèi)反應(yīng)的關(guān)鍵要素，常見(jiàn)的光催化劑包括過(guò)渡金屬配合物（如三(2-苯基吡啶)合銥(fac-Ir(ppy)?)、六水合三聯(lián)吡啶二氯化釕(Ru(bpy)?Cl??6H?O)）和有機(jī)染料（如曙紅Y、吖啶橙、10-甲基-9-均三甲苯基吖啶高氯酸鹽(Mes-Acr?)）等。這些光催化劑具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，能夠吸收特定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，從而從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。以過(guò)渡金屬配合物為例，當(dāng)吸收可見(jiàn)光后，金屬中心的電子會(huì)被激發(fā)到高能級(jí)的軌道，形成激發(fā)態(tài)的光催化劑。激發(fā)態(tài)的光催化劑具有較高的活性，其壽命雖短暫，但足以與底物分子發(fā)生相互作用。在這個(gè)過(guò)程中，光催化劑與底物之間通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移（SET）過(guò)程，實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移，從而生成具有高反應(yīng)活性的自由基或離子自由基中間體。比如，激發(fā)態(tài)的光催化劑可以將一個(gè)電子轉(zhuǎn)移給底物分子，使底物分子變成自由基陰離子，而光催化劑自身則被氧化為氧化態(tài)；或者，激發(fā)態(tài)的光催化劑從底物分子奪取一個(gè)電子，使底物分子變成自由基陽(yáng)離子，光催化劑自身被還原為還原態(tài)。以有機(jī)染料作為光催化劑時(shí)，其激發(fā)態(tài)同樣能夠參與單電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。例如，曙紅Y在可見(jiàn)光照射下被激發(fā)，激發(fā)態(tài)的曙紅Y可以與合適的底物發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生相應(yīng)的自由基中間體，進(jìn)而引發(fā)后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)。這些自由基中間體具有很高的反應(yīng)活性，能夠參與各種類(lèi)型的反應(yīng)，如加成反應(yīng)、取代反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)等，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)分子的多樣化轉(zhuǎn)化。在氧化還原循環(huán)中，光催化劑在完成與底物的電子轉(zhuǎn)移后，會(huì)進(jìn)入氧化態(tài)或還原態(tài)。為了使光催化劑能夠持續(xù)發(fā)揮催化作用，需要通過(guò)外部的氧化還原試劑或其他途徑，使光催化劑重新回到基態(tài)，完成催化循環(huán)。例如，在某些反應(yīng)體系中，可以加入適量的還原劑，將氧化態(tài)的光催化劑還原回基態(tài)；或者，利用體系中的氧氣等氧化劑，將還原態(tài)的光催化劑氧化回基態(tài)?？梢?jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)在有機(jī)合成中具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。反應(yīng)條件極為溫和，通常在室溫或接近室溫的條件下即可進(jìn)行，避免了傳統(tǒng)合成方法中高溫、高壓等苛刻條件的使用，這不僅降低了反應(yīng)的能耗和對(duì)設(shè)備的要求，還減少了因苛刻條件導(dǎo)致的副反應(yīng)的發(fā)生，提高了反應(yīng)的選擇性和收率。反應(yīng)具有高度的選擇性，通過(guò)合理選擇光催化劑和反應(yīng)條件，可以精確地控制反應(yīng)的位點(diǎn)和立體化學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定結(jié)構(gòu)和構(gòu)型的有機(jī)化合物的合成，這為合成具有特定生物活性或功能的有機(jī)分子提供了有力的手段。該反應(yīng)還具有良好的原子經(jīng)濟(jì)性，能夠充分利用反應(yīng)物中的原子，減少副產(chǎn)物的生成，符合綠色化學(xué)的理念，有利于可持續(xù)化學(xué)的發(fā)展。由于可見(jiàn)光作為一種清潔、可再生的能源參與反應(yīng)，減少了對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)試劑的依賴(lài)，降低了化學(xué)合成對(duì)環(huán)境的影響，使得有機(jī)合成過(guò)程更加環(huán)保和可持續(xù)。1.3研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入探索可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)在吲哚和異喹啉合成中的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)綠色、高效、選擇性好的合成方法，為吲哚和異喹啉類(lèi)化合物的合成提供新的策略和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)在吲哚合成中的應(yīng)用：系統(tǒng)研究不同光催化劑（如過(guò)渡金屬配合物、有機(jī)染料等）在吲哚合成反應(yīng)中的催化性能，探究光催化劑的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)與催化活性之間的關(guān)系，優(yōu)化光催化劑的選擇和用量，以提高吲哚合成反應(yīng)的效率和選擇性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，深入探討可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)的機(jī)理，明確反應(yīng)過(guò)程中自由基或離子自由基中間體的生成、反應(yīng)路徑以及影響反應(yīng)選擇性的因素，為反應(yīng)條件的優(yōu)化和新反應(yīng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)?？疾觳煌磻?yīng)底物（如苯胺衍生物、炔烴、烯烴等）對(duì)吲哚合成反應(yīng)的影響，拓展反應(yīng)底物的范圍，探索新穎的反應(yīng)路徑，實(shí)現(xiàn)吲哚類(lèi)化合物的多樣化合成，豐富吲哚類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)類(lèi)型?？梢?jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)在異喹啉合成中的應(yīng)用：篩選和優(yōu)化適用于異喹啉合成的光催化劑和反應(yīng)條件，研究光催化劑的激發(fā)態(tài)性質(zhì)、反應(yīng)介質(zhì)、反應(yīng)溫度、光照強(qiáng)度等因素對(duì)異喹啉合成反應(yīng)的影響規(guī)律，確定最佳的反應(yīng)條件，提高異喹啉的合成產(chǎn)率和純度。研究可見(jiàn)光促進(jìn)的異喹啉合成反應(yīng)的機(jī)理，包括光催化劑與底物之間的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程、中間體的生成和轉(zhuǎn)化、環(huán)化反應(yīng)的機(jī)制等，揭示反應(yīng)的本質(zhì)，為反應(yīng)的進(jìn)一步優(yōu)化和拓展提供理論指導(dǎo)。探索不同類(lèi)型的反應(yīng)底物（如鄰氨基苯甲醛衍生物、烯炔烴、含氮雜環(huán)化合物等）在可見(jiàn)光促進(jìn)下合成異喹啉的反應(yīng)，豐富異喹啉的合成方法，實(shí)現(xiàn)具有不同取代基和結(jié)構(gòu)特征的異喹啉類(lèi)化合物的有效合成，滿足藥物研發(fā)和材料科學(xué)等領(lǐng)域?qū)Χ鄻踊愢?lèi)化合物的需求。反應(yīng)的底物拓展與應(yīng)用研究：對(duì)可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)在吲哚和異喹啉合成中的底物進(jìn)行廣泛拓展，探索具有不同官能團(tuán)和結(jié)構(gòu)特征的底物參與反應(yīng)的可能性，研究底物的電子效應(yīng)、空間位阻等因素對(duì)反應(yīng)的影響，進(jìn)一步豐富反應(yīng)的類(lèi)型和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)多樣性。將開(kāi)發(fā)的可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚和異喹啉合成方法應(yīng)用于具有生物活性的吲哚和異喹啉類(lèi)化合物的合成，如天然產(chǎn)物、藥物分子的合成或修飾，評(píng)估所合成化合物的生物活性，為藥物研發(fā)提供新的化合物資源和合成方法。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，深入研究底物結(jié)構(gòu)與反應(yīng)活性、選擇性之間的關(guān)系，建立相關(guān)的構(gòu)效關(guān)系模型，為底物的合理設(shè)計(jì)和反應(yīng)的預(yù)測(cè)提供理論支持，指導(dǎo)新型吲哚和異喹啉類(lèi)化合物的合成。二、可見(jiàn)光促進(jìn)氧化還原反應(yīng)在吲哚合成中的應(yīng)用2.1經(jīng)典吲哚合成方法概述吲哚類(lèi)化合物作為重要的有機(jī)合成中間體，在藥物化學(xué)、材料科學(xué)以及天然產(chǎn)物全合成等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，其合成方法一直是有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在漫長(zhǎng)的研究歷程中，科學(xué)家們發(fā)展了多種經(jīng)典的吲哚合成方法，這些方法各具特點(diǎn)，為吲哚類(lèi)化合物的合成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Fischer吲哚合成法是最為經(jīng)典且應(yīng)用廣泛的吲哚合成方法之一，由德國(guó)化學(xué)家EmilFischer于1883年發(fā)現(xiàn)。該方法以脂肪族醛、酮類(lèi)及苯肼衍生物為原料，首先兩者發(fā)生縮合反應(yīng)，生成相應(yīng)的苯腙衍生物。在酸催化作用下，苯腙衍生物發(fā)生重排環(huán)化反應(yīng)，經(jīng)過(guò)分子內(nèi)的電子重排和環(huán)化過(guò)程，消除一分子氨，最終生成吲哚衍生物。常用的催化劑包括氯化鋅、三氟化硼、多聚磷酸、醋酸（AcOH）、鹽酸（HCl）、三氟乙酸等。其中，Lewis酸催化時(shí)，反應(yīng)通常在較為溫和的條件下即可進(jìn)行；而質(zhì)子酸催化時(shí)，往往需要加熱到較高溫度。Fischer吲哚合成法具有反應(yīng)條件相對(duì)溫和、原料易得、操作相對(duì)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能夠合成多種結(jié)構(gòu)的吲哚衍生物，在生物堿和醫(yī)藥合成領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在合成一些具有生物活性的吲哚類(lèi)生物堿時(shí)，該方法能夠有效地構(gòu)建吲哚環(huán)結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)修飾和活性研究提供了重要的基礎(chǔ)。然而，該方法也存在一定的局限性，反應(yīng)的選擇性有時(shí)難以控制，可能會(huì)生成多種異構(gòu)體，需要通過(guò)復(fù)雜的分離和純化步驟來(lái)獲得目標(biāo)產(chǎn)物；對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜或空間位阻較大的底物，反應(yīng)的活性和產(chǎn)率會(huì)受到明顯影響。Bischler-Napieralski反應(yīng)也是一種重要的吲哚合成方法，主要用于合成1-取代吲哚類(lèi)化合物。該反應(yīng)以N-?；彴被揭蚁榈孜铮趶?qiáng)脫水劑（如五氧化二磷、三氯氧磷等）的作用下，發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化脫水反應(yīng)，從而構(gòu)建吲哚環(huán)。反應(yīng)過(guò)程中，強(qiáng)脫水劑促使分子內(nèi)的氨基與酰基之間發(fā)生親核加成，隨后脫水形成碳-氮雙鍵，進(jìn)而發(fā)生環(huán)化反應(yīng)生成吲哚衍生物。Bischler-Napieralski反應(yīng)具有較高的原子經(jīng)濟(jì)性，能夠一步構(gòu)建吲哚環(huán)結(jié)構(gòu)，在一些具有特定取代模式的吲哚類(lèi)化合物的合成中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在合成某些具有藥物活性的1-取代吲哚類(lèi)化合物時(shí)，該方法能夠精準(zhǔn)地引入取代基，滿足藥物分子結(jié)構(gòu)的要求。但該反應(yīng)需要使用強(qiáng)脫水劑，反應(yīng)條件較為苛刻，對(duì)反應(yīng)設(shè)備和操作要求較高，同時(shí)底物的制備相對(duì)復(fù)雜，限制了其在一些情況下的應(yīng)用。此外，還有其他一些經(jīng)典的吲哚合成方法，如Madin-Darby犬腎細(xì)胞（MDCK）反應(yīng)、Bartoli吲哚合成反應(yīng)等。MDCK反應(yīng)以鄰硝基甲苯和乙烯基格氏試劑為原料，在金屬催化劑（如鈀、鎳等）的作用下，通過(guò)一系列的加成、環(huán)化和還原反應(yīng)生成吲哚衍生物。Bartoli吲哚合成反應(yīng)則是以鄰鹵代硝基苯和端炔為底物，在強(qiáng)堿（如叔丁醇鉀）和銅催化劑的存在下，發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)合成吲哚類(lèi)化合物。這些經(jīng)典方法在吲哚合成領(lǐng)域都有著各自的應(yīng)用場(chǎng)景和價(jià)值，但也都存在一些不足之處，如反應(yīng)條件苛刻、底物范圍有限、催化劑昂貴等。2.2可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)案例分析2.2.1案例一：可見(jiàn)光氧化還原/鎳雙催化體系實(shí)現(xiàn)吲哚與未活化胺的交叉脫氫胺化反應(yīng)中南大學(xué)陽(yáng)華教授課題組在可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成領(lǐng)域取得了重要突破，報(bào)道了一種可見(jiàn)光氧化還原/鎳雙催化體系，成功實(shí)現(xiàn)了吲哚與未活化胺的交叉脫氫胺化反應(yīng)，相關(guān)研究成果發(fā)表于《OrganicLetters》。該研究為氨基吲哚類(lèi)化合物的合成提供了一種全新的、綠色高效的方法。從反應(yīng)條件來(lái)看，作者以N-甲基吲哚（1a）和嗎啉（2a）作為模型反應(yīng)底物，對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了細(xì)致的篩選。最終確定的最優(yōu)條件為：使用1mol%的[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)][PF6]作為光催化劑，10mol%的NiBr2?diglyme作為鎳催化劑，12mol%的聯(lián)吡啶作為配體，磷酸氫二鉀作為堿，乙腈作為溶劑，在氬氣氣氛及30W450nm藍(lán)光照射下反應(yīng)24小時(shí)，能以77%的產(chǎn)率獲得目標(biāo)胺化產(chǎn)物3。在這一條件下，光催化劑[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)][PF6]在可見(jiàn)光照射下被激發(fā)至激發(fā)態(tài)，能夠有效地促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，為反應(yīng)提供了關(guān)鍵的活性物種；鎳催化劑與配體聯(lián)吡啶協(xié)同作用，促進(jìn)了后續(xù)的析氫過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了吲哚與未活化胺的交叉脫氫胺化反應(yīng)。在底物范圍的考察方面，研究展現(xiàn)出了良好的兼容性。對(duì)于N-保護(hù)吲哚，具有不同保護(hù)基的吲哚衍生物，如芐基、苯基和乙基，均能很好地適用于該反應(yīng)，以良好至較高產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。帶有不同取代基的吲哚，包括烷基、烷氧基、鹵素和酯基，都可以順利地進(jìn)行該轉(zhuǎn)化。不過(guò)，5號(hào)位取代的底物的產(chǎn)率通常略低于6號(hào)位取代的底物，這可能是由于空間位阻的影響，5號(hào)位的取代基對(duì)反應(yīng)中間體的形成或反應(yīng)路徑產(chǎn)生了一定的阻礙；烷氧基取代的底物易被氧化，從而導(dǎo)致產(chǎn)率降低，這表明反應(yīng)體系中的氧化環(huán)境對(duì)含有易氧化官能團(tuán)的底物具有一定的挑戰(zhàn)。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的胺，3-甲基嗎啉、2,6-二甲基嗎啉和硫代嗎啉可與N-甲基吲哚1a順利偶聯(lián)。具有不同官能團(tuán)的哌嗪和哌啶衍生物，包括酰胺、嘧啶基、酯和噻吩基，都能以良好至優(yōu)異的產(chǎn)率轉(zhuǎn)化為所需的胺化產(chǎn)物?？赡苡捎诳臻g位阻，鄰位取代的底物通常比那些帶有對(duì)位或間位取代基的底物產(chǎn)率略低。值得注意的是，鏈狀二烷基胺也能夠參與該轉(zhuǎn)化，得到所需的產(chǎn)物，進(jìn)一步證明了該方案的通用性。作者還測(cè)試了這種策略對(duì)生物活性分子后期官能化的適用性，結(jié)果表明左西替利嗪中間體（產(chǎn)率為59%）、地氯雷他定（產(chǎn)率為81%）和多奈哌齊乙二胺（產(chǎn)率為67%）均能以高產(chǎn)率順利胺化，這為藥物分子的結(jié)構(gòu)修飾和研發(fā)提供了新的方法和思路。在機(jī)理研究方面，作者開(kāi)展了一系列控制實(shí)驗(yàn)。使用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）作為自由基抑制劑進(jìn)行自由基捕獲實(shí)驗(yàn)，在一定程度上大大抑制了反應(yīng)的進(jìn)行，并且ESI-HRMS檢測(cè)到相應(yīng)的自由基加合物，表明可能形成相應(yīng)的自由基加合物中間體，這說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中涉及自由基中間體的生成。Stern–Volmer實(shí)驗(yàn)表明，N-甲基吲哚對(duì)[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)][PF6]的光激發(fā)態(tài)有更明顯的猝滅作用，這進(jìn)一步證實(shí)了N-甲基吲哚與光催化劑之間發(fā)生了有效的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。開(kāi)/關(guān)燈實(shí)驗(yàn)在一定程度上排除了反應(yīng)通過(guò)自由基鏈?zhǔn)酵緩竭M(jìn)行的可能性，說(shuō)明反應(yīng)并非通過(guò)典型的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制進(jìn)行。ESI-HRMS分析還檢測(cè)到了芳基自由基和自由基抑制劑之間可能存在的加成中間體，為反應(yīng)機(jī)理的研究提供了更多的證據(jù)。用氘化底物進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)（KIE）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，β-H的消除并不是速率決定步驟（RDS）?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)結(jié)果和先前的報(bào)道，作者提出了可能的反應(yīng)機(jī)理：在可見(jiàn)光照射下，光催化劑被光激發(fā)到激發(fā)態(tài)*[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)][PF6]，其與N-甲基吲哚1a經(jīng)歷單電子轉(zhuǎn)移（SET）過(guò)程，生成自由基陽(yáng)離子中間體II和相應(yīng)的IrII光催化劑。隨后，自由基陽(yáng)離子中間體II被胺2捕獲，得到關(guān)鍵的碳自由基中間體III。另一方面，IrII光催化劑與NiII經(jīng)歷SET過(guò)程，釋放Br-的同時(shí)產(chǎn)生NiI，完成光催化劑的再生。在堿的促進(jìn)下，III快速去質(zhì)子化，然后與NiI進(jìn)行自由基加成過(guò)程，得到NiII中間體IV。中間體IV接著進(jìn)行β-H消除，得到所需的產(chǎn)物。2.2.2案例二：可見(jiàn)光引發(fā)的氧化吲哚芳基化反應(yīng)云南大學(xué)夏成峰研究員課題組在可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)研究中取得了創(chuàng)新性成果，首次報(bào)道了在無(wú)過(guò)渡金屬催化劑下，采用可見(jiàn)光引發(fā)的氧化吲哚芳基化反應(yīng)，相關(guān)研究成果發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)國(guó)際化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《化學(xué)科學(xué)》上。這一研究成果為3-芳基氧化吲哚化合物的合成提供了一種全新的、綠色且簡(jiǎn)便的方法。氧化吲哚是眾多具有生物活性的天然產(chǎn)物和藥物分子中一個(gè)基本的結(jié)構(gòu)單元，而3-芳基氧化吲哚化合物在研究抗腫瘤、抗炎和神經(jīng)保護(hù)等藥物中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。過(guò)去，對(duì)該類(lèi)分子的合成主要采用含不同配體的貴金屬如鈀等催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，但這些反應(yīng)不僅需要昂貴的重金屬催化劑，而且所用的催化劑和配體對(duì)空氣和水汽非常敏感易失效，在實(shí)際應(yīng)用中面臨很大挑戰(zhàn)。夏成峰研究員課題組發(fā)現(xiàn)，無(wú)色的氧化吲哚和鹵代芳烴在堿性條件下會(huì)發(fā)生堆積效應(yīng)，兩個(gè)原本無(wú)吸光能力的分子在紫外可見(jiàn)光的吸收波長(zhǎng)發(fā)生顯著的紅移至可見(jiàn)光區(qū)，形成具有顏色的電子給體-受體復(fù)合物。這種復(fù)合物能夠吸收可見(jiàn)光并被激發(fā)，進(jìn)而經(jīng)電子轉(zhuǎn)移的自由基反應(yīng)歷程生成3-芳基氧化吲哚。該可見(jiàn)光引發(fā)的反應(yīng)具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)條件非常溫和，不再需要無(wú)水無(wú)氧等苛刻的反應(yīng)條件，這大大降低了反應(yīng)的操作難度和成本，使得反應(yīng)更加易于實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用；而且用普通的家用節(jié)能燈即可引發(fā)反應(yīng)，這為反應(yīng)的實(shí)施提供了極大的便利，無(wú)需特殊的光源設(shè)備；同時(shí)，該反應(yīng)對(duì)各種不同的氧化吲哚和鹵代芳烴都具有良好的普適性，能夠適應(yīng)多種底物的反應(yīng)需求，豐富了3-芳基氧化吲哚化合物的合成路徑。在該反應(yīng)中，氧化吲哚作為電子給體，鹵代芳烴作為電子受體，在堿性條件下二者通過(guò)非共價(jià)相互作用形成電子給體-受體復(fù)合物。當(dāng)受到可見(jiàn)光照射時(shí)，復(fù)合物中的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，形成自由基對(duì)，進(jìn)而引發(fā)一系列的自由基反應(yīng)，最終生成3-芳基氧化吲哚產(chǎn)物。這種基于分子間相互作用和自由基反應(yīng)歷程的反應(yīng)機(jī)制，為可見(jiàn)光促進(jìn)的有機(jī)合成反應(yīng)提供了新的思路和方法，打破了傳統(tǒng)過(guò)渡金屬催化反應(yīng)的局限，為有機(jī)合成化學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向。2.2.3案例三：可見(jiàn)光催化的飽和含氮雜環(huán)與吲哚的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)可見(jiàn)光催化的飽和含氮雜環(huán)與吲哚的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)是有機(jī)合成領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，為構(gòu)建含有飽和含氮雜環(huán)和吲哚結(jié)構(gòu)的化合物提供了新的途徑。在交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)（CDC）中，在氧化劑的作用下，無(wú)需對(duì)底物進(jìn)行預(yù)官能團(tuán)化，即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)底物的C-H鍵的斷裂，從而構(gòu)筑新的C-C鍵。這使得該反應(yīng)具有無(wú)需預(yù)官能團(tuán)化、反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單、原子經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，尤其符合21世紀(jì)綠色化學(xué)的發(fā)展要求，因此受到了世界各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。在實(shí)現(xiàn)方式上，有研究利用課題組設(shè)計(jì)合成的有機(jī)光催化劑，通過(guò)光氧化還原催化成功實(shí)現(xiàn)了含氮雜環(huán)與吲哚之間的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)。在反應(yīng)中，有機(jī)光催化劑吸收可見(jiàn)光能量后，通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程產(chǎn)生活化態(tài)，然后與底物發(fā)生反應(yīng)。以羅丹明B作為光敏劑、吡嗪作為飽和含氮雜環(huán)底物，以及吲哚作為偶聯(lián)底物，在合理設(shè)計(jì)的反應(yīng)條件下，成功實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光催化的交叉脫氫偶聯(lián)。在底物拓展方面，該反應(yīng)展現(xiàn)出了良好的兼容性和廣泛的適用性。不僅多種飽和含氮雜環(huán)，如吡咯、吡嗪、噻吩等，能與吲哚順利發(fā)生交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)，而且還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了TMSCN、吡咯、硝基甲烷、1-萘酚、3，5-二甲氧基苯酚和2-(三甲基硅氧基)呋喃與飽和含氮雜環(huán)的偶聯(lián)反應(yīng)，極大地拓寬了該方法的應(yīng)用范圍，為飽和含氮雜環(huán)相關(guān)的藥物分子的合成或修飾提供了良好的解決方案。帶有不同取代基的飽和含氮雜環(huán)和吲哚，都能在該反應(yīng)體系中較好地參與反應(yīng)，以一定的產(chǎn)率得到相應(yīng)的偶聯(lián)產(chǎn)物。在不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)研究方面，通過(guò)引入手性Br?nsted酸，實(shí)現(xiàn)了飽和含氮雜環(huán)與吲哚的不對(duì)稱(chēng)交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)。以2-(吡咯烷-1-基)吡啶和吲哚作為模板底物，通過(guò)有機(jī)光氧化還原催化和手性膦酸協(xié)同催化，目前已以71%的產(chǎn)率和61%的ee值得到了目標(biāo)產(chǎn)物。這種結(jié)合光氧化還原催化和手性Br?nsted酸催化的方法，為其它飽和含氮雜環(huán)的不對(duì)稱(chēng)官能團(tuán)化提供了參考價(jià)值，為合成具有光學(xué)活性的含有飽和含氮雜環(huán)和吲哚結(jié)構(gòu)的化合物奠定了基礎(chǔ)。2.3可見(jiàn)光促進(jìn)吲哚合成反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在反應(yīng)條件上展現(xiàn)出了極大的溫和性。傳統(tǒng)的吲哚合成方法，如Fischer吲哚合成法，通常需要在較高溫度下進(jìn)行，且反應(yīng)體系往往需要強(qiáng)酸或強(qiáng)脫水劑等苛刻條件。以使用質(zhì)子酸催化的Fischer吲哚合成反應(yīng)為例，常常需要加熱到100℃以上，高溫條件不僅增加了能耗，還可能導(dǎo)致底物或產(chǎn)物的分解，對(duì)反應(yīng)設(shè)備的要求也更高。而可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)一般在室溫或接近室溫的條件下即可進(jìn)行，大大降低了反應(yīng)的能耗和對(duì)設(shè)備的要求。在中南大學(xué)陽(yáng)華教授課題組報(bào)道的可見(jiàn)光氧化還原/鎳雙催化體系實(shí)現(xiàn)吲哚與未活化胺的交叉脫氫胺化反應(yīng)中，反應(yīng)在30W450nm藍(lán)光照射下，于室溫下即可順利進(jìn)行，避免了高溫對(duì)反應(yīng)底物和產(chǎn)物的影響，提高了反應(yīng)的選擇性和收率。從原子經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)表現(xiàn)出色。原子經(jīng)濟(jì)性是綠色化學(xué)的重要指標(biāo)之一，它強(qiáng)調(diào)在化學(xué)反應(yīng)中最大限度地利用反應(yīng)物中的原子，減少副產(chǎn)物的生成。在一些傳統(tǒng)的吲哚合成方法中，由于反應(yīng)步驟復(fù)雜，往往會(huì)產(chǎn)生較多的副產(chǎn)物，導(dǎo)致原子利用率較低。在Bischler-Napieralski反應(yīng)中，以N-?；彴被揭蚁榈孜锖铣?-取代吲哚類(lèi)化合物時(shí)，需要使用強(qiáng)脫水劑，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)機(jī)鹽等副產(chǎn)物，原子經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較低。而可見(jiàn)光促進(jìn)的反應(yīng)能夠通過(guò)巧妙的反應(yīng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)原子的高效利用。在可見(jiàn)光催化的飽和含氮雜環(huán)與吲哚的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)中，無(wú)需對(duì)底物進(jìn)行預(yù)官能團(tuán)化，直接實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)底物的C-H鍵的斷裂和新的C-C鍵的構(gòu)筑，避免了傳統(tǒng)方法中因引入和去除保護(hù)基等步驟而產(chǎn)生的廢棄物，減少了合成步驟，最大限度地提高了原子經(jīng)濟(jì)性，符合綠色化學(xué)的發(fā)展理念。反應(yīng)選擇性方面，可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)具有高度的可控性。通過(guò)合理選擇光催化劑、反應(yīng)條件以及底物的結(jié)構(gòu)，可以精確地控制反應(yīng)的位點(diǎn)和立體化學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定結(jié)構(gòu)和構(gòu)型的吲哚類(lèi)化合物的合成。這為合成具有特定生物活性或功能的吲哚類(lèi)分子提供了有力的手段。在一些天然產(chǎn)物或藥物分子的合成中，對(duì)吲哚環(huán)上特定位置的官能團(tuán)化具有重要意義，可見(jiàn)光促進(jìn)的反應(yīng)能夠滿足這一需求，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)吲哚環(huán)上不同位置的選擇性官能團(tuán)化，從而合成出具有特定結(jié)構(gòu)和功能的吲哚類(lèi)化合物，為藥物研發(fā)和材料科學(xué)等領(lǐng)域提供了更多具有潛在應(yīng)用價(jià)值的化合物。盡管可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但目前也面臨著一些挑戰(zhàn)。光催化劑的成本是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。常用的光催化劑，如過(guò)渡金屬配合物（如三(2-苯基吡啶)合銥(fac-Ir(ppy)?)、六水合三聯(lián)吡啶二氯化釕(Ru(bpy)?Cl??6H?O)）和有機(jī)染料（如曙紅Y、吖啶橙、10-甲基-9-均三甲苯基吖啶高氯酸鹽(Mes-Acr?)）等，部分價(jià)格較為昂貴，這在一定程度上限制了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。過(guò)渡金屬配合物中的貴金屬銥、釕等資源稀缺，價(jià)格高昂，使得光催化劑的制備成本居高不下。尋找價(jià)格低廉、催化性能優(yōu)異的新型光催化劑，或者開(kāi)發(fā)光催化劑的回收和循環(huán)利用技術(shù)，成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。反應(yīng)機(jī)理的研究還不夠深入全面。雖然目前對(duì)一些可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了一定的探索，但仍存在許多未知的細(xì)節(jié)和復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程。反應(yīng)中自由基或離子自由基中間體的生成、反應(yīng)路徑以及影響反應(yīng)選擇性的因素等方面，還需要進(jìn)一步深入研究。準(zhǔn)確理解反應(yīng)機(jī)理對(duì)于優(yōu)化反應(yīng)條件、提高反應(yīng)效率和選擇性至關(guān)重要。在某些可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)中，雖然已經(jīng)提出了可能的反應(yīng)機(jī)理，但缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和理論計(jì)算支持，導(dǎo)致對(duì)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)不夠深入，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。底物的范圍和適用性也有待進(jìn)一步拓展。目前，雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種底物參與的可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)，但對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)的底物或具有復(fù)雜官能團(tuán)的底物，反應(yīng)的活性和選擇性仍然較低，甚至無(wú)法發(fā)生反應(yīng)。含有多個(gè)敏感官能團(tuán)或空間位阻較大的底物，在反應(yīng)中往往面臨著諸多挑戰(zhàn)，如反應(yīng)活性低、副反應(yīng)多等問(wèn)題。進(jìn)一步研究底物的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)活性之間的關(guān)系，開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)體系和方法，以擴(kuò)大底物的適用范圍，是該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的重要方向之一。三、可見(jiàn)光促進(jìn)氧化還原反應(yīng)在異喹啉合成中的應(yīng)用3.1傳統(tǒng)異喹啉合成方法介紹異喹啉作為一類(lèi)重要的含氮雜環(huán)化合物，在有機(jī)合成領(lǐng)域具有舉足輕重的地位，其合成方法一直是化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的異喹啉合成方法眾多，每種方法都有其獨(dú)特的反應(yīng)原理和適用范圍，同時(shí)也存在一定的局限性。Bischler–Napieralski反應(yīng)是合成異喹啉的經(jīng)典方法之一，于1893年由Bischler和Napieralski首次報(bào)道。該反應(yīng)以N-酰基β-苯乙胺為底物，在脫水試劑的作用下進(jìn)行關(guān)環(huán)脫水，從而形成3,4-二氫異喹啉，進(jìn)一步氧化便可得到異喹啉。反應(yīng)原理為：首先，N-?；?苯乙胺中的酰胺基團(tuán)在脫水試劑（如三氯氧磷（POCl?）、五氧化二磷（P?O?）等）的作用下，發(fā)生分子內(nèi)的親電取代反應(yīng)。酰胺的氧原子與脫水試劑中的磷原子或其他原子結(jié)合，形成一個(gè)中間體，隨后分子內(nèi)的芳環(huán)對(duì)酰胺的羰基碳原子進(jìn)行親核進(jìn)攻，發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，同時(shí)脫去一分子水，生成3,4-二氫異喹啉。在這個(gè)過(guò)程中，脫水試劑起到了關(guān)鍵作用，它促進(jìn)了酰胺的活化和環(huán)化反應(yīng)的進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，Bischler–Napieralski反應(yīng)展現(xiàn)出了一些特點(diǎn)。當(dāng)芳環(huán)上帶有活化基團(tuán)時(shí)，反應(yīng)更容易進(jìn)行，因?yàn)榛罨鶊F(tuán)能夠增加芳環(huán)的電子云密度，使其更容易對(duì)酰胺羰基進(jìn)行親核進(jìn)攻，從而提高反應(yīng)的活性和產(chǎn)率。當(dāng)芳環(huán)上的給電子基團(tuán)處于間位時(shí)，在給電子基團(tuán)的對(duì)位環(huán)化反應(yīng)相對(duì)容易發(fā)生，這是由于電子效應(yīng)和空間位阻的綜合影響，使得在該位置進(jìn)行環(huán)化反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)更加穩(wěn)定。反應(yīng)中加入一些Lewis酸，如四氯化錫（SnCl?）、氯化鋅（ZnCl?）等，可以加速環(huán)化反應(yīng)的進(jìn)行，這是因?yàn)長(zhǎng)ewis酸能夠與酰胺基團(tuán)或脫水試劑相互作用，進(jìn)一步活化反應(yīng)體系，降低反應(yīng)的活化能。Bischler–Napieralski反應(yīng)也存在一些局限性。反應(yīng)條件較為苛刻，通常需要在較高溫度下進(jìn)行，這可能導(dǎo)致一些對(duì)熱不穩(wěn)定的底物或產(chǎn)物發(fā)生分解或副反應(yīng)。使用的脫水試劑如三氯氧磷、五氧化二磷等具有較強(qiáng)的腐蝕性和毒性，對(duì)環(huán)境和操作人員都存在一定的危害，且在反應(yīng)后處理過(guò)程中需要小心處理，增加了實(shí)驗(yàn)操作的難度和成本。反應(yīng)的選擇性有時(shí)難以控制，可能會(huì)生成多種異構(gòu)體，特別是當(dāng)?shù)孜锝Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，副反應(yīng)增多，使得產(chǎn)物的分離和純化變得困難，影響了反應(yīng)的效率和產(chǎn)率。Gabriel–Colman重排反應(yīng)為異喹啉的合成提供了另一種思路。該反應(yīng)通過(guò)芳基鄰二酰亞胺基乙酸酯在堿性條件下進(jìn)行重排，從而生成1,4-二酚異喹啉類(lèi)似物。反應(yīng)原理基于芳基鄰二酰亞胺基乙酸酯在堿的作用下，分子內(nèi)的電子云發(fā)生重排，形成一個(gè)新的碳-氮鍵，進(jìn)而構(gòu)建出異喹啉的骨架結(jié)構(gòu)。在藥物中間體的合成中，Gabriel–Colman重排反應(yīng)展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，能夠合成一些具有特定結(jié)構(gòu)和功能的異喹啉衍生物，滿足藥物研發(fā)對(duì)特殊結(jié)構(gòu)化合物的需求。然而，該反應(yīng)需要使用強(qiáng)堿，反應(yīng)條件較為苛刻，對(duì)底物的要求也相對(duì)較高，限制了其在一些情況下的應(yīng)用。Pictet–Spengler反應(yīng)也是一種重要的傳統(tǒng)異喹啉合成方法，自1911年被提出以來(lái)，一直受到有機(jī)化學(xué)家的重視。該方法通過(guò)β-芳基乙胺和羰基化合物的環(huán)化縮合，成功合成四氫異喹啉。反應(yīng)過(guò)程中，β-芳基乙胺的氨基與羰基化合物的羰基發(fā)生親核加成反應(yīng)，形成一個(gè)中間體，然后中間體發(fā)生分子內(nèi)的環(huán)化反應(yīng)，消除一分子水，生成四氫異喹啉。Pictet–Spengler反應(yīng)至今仍被廣泛應(yīng)用于異喹啉類(lèi)生物堿和藥物的合成，在新藥開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新中發(fā)揮著重要作用。但該反應(yīng)也存在一些不足之處，反應(yīng)通常需要在酸性條件下進(jìn)行，可能會(huì)對(duì)一些對(duì)酸敏感的官能團(tuán)產(chǎn)生影響；反應(yīng)的選擇性和產(chǎn)率受到底物結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件的影響較大，對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)的底物，反應(yīng)的效果可能不理想。3.2可見(jiàn)光促進(jìn)的異喹啉合成反應(yīng)案例研究3.2.1案例一：可見(jiàn)光介導(dǎo)下以氮化碳半導(dǎo)體為催化劑合成異喹啉酮生物堿重慶大學(xué)的相關(guān)研究在可見(jiàn)光促進(jìn)的異喹啉合成領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，該研究以異喹啉酮生物堿的光化學(xué)合成為導(dǎo)向，將有機(jī)光化學(xué)和連續(xù)流動(dòng)化學(xué)創(chuàng)新性地融合運(yùn)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為異喹啉酮生物堿的合成提供了新的思路和方法。在催化劑的選擇上，研究團(tuán)隊(duì)選用氮化碳半導(dǎo)體材料（g-C?N?）作為非均相光催化劑。氮化碳半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，其穩(wěn)定性好，對(duì)人體無(wú)毒害，成本低廉，且反應(yīng)條件溫和，無(wú)二次污染，這些優(yōu)點(diǎn)使得它成為一種理想的光催化劑選擇。相比于傳統(tǒng)的過(guò)渡金屬有機(jī)光催化劑（如Ir、Ru等），氮化碳半導(dǎo)體材料不僅價(jià)格更為親民，易于大量制備和回收，還能實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，大大降低了反應(yīng)成本和對(duì)環(huán)境的影響。在實(shí)驗(yàn)中，氮化碳半導(dǎo)體材料能夠有效地吸收可見(jiàn)光，被激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，進(jìn)而參與到異喹啉酮生物堿的合成反應(yīng)中，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用的反應(yīng)裝置獨(dú)具特色，涉及搭建簡(jiǎn)易連續(xù)流光化學(xué)反應(yīng)裝置。該裝置主要由反應(yīng)管路、蠕動(dòng)泵、光反應(yīng)器、緩沖瓶以及三通閥等部分組成。在反應(yīng)過(guò)程中，將制備好的氮化碳半導(dǎo)體催化劑加入到含有底物（如N-boc-6,7-二甲基-1,2,3,4-四氫異喹啉）的二甲亞砜溶液中，攪拌均勻形成反應(yīng)懸濁液。反應(yīng)懸濁液經(jīng)由三通閥a通過(guò)蠕動(dòng)泵2泵入管路，同時(shí)空氣由泵1泵入，在y型三通處混合。通過(guò)精確調(diào)整蠕動(dòng)泵和空氣泵的流速，使得反應(yīng)液和空氣能夠以合適的比例間隔泵入流動(dòng)光反應(yīng)區(qū)域。在光反應(yīng)區(qū)域的后端安裝一個(gè)三通閥b，通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥a和閥b，可以靈活調(diào)節(jié)反應(yīng)液的流向，從而創(chuàng)建一個(gè)“循環(huán)”反應(yīng)體系。當(dāng)反應(yīng)未完全時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥b使反應(yīng)液流向緩沖瓶，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥a，使緩沖瓶中的反應(yīng)液繼續(xù)通過(guò)泵2流入y型三通處，與空氣混合，流向光反應(yīng)區(qū)繼續(xù)參與反應(yīng)；待反應(yīng)完全后，旋轉(zhuǎn)閥b讓產(chǎn)物流出，收集產(chǎn)物。緩沖瓶在整個(gè)反應(yīng)體系中起到了平衡循環(huán)過(guò)程氣壓的關(guān)鍵作用，同時(shí)還可用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。這種連續(xù)流光反應(yīng)裝置具有諸多優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)物料通過(guò)泵輸入管路并與空氣混合，極大地增加了反應(yīng)物與空氣的接觸面積，使反應(yīng)更加充分；反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間可以由輸液泵流速精準(zhǔn)調(diào)控，能夠確保反應(yīng)在最佳的時(shí)間條件下進(jìn)行；增大了光照面積，提高了光吸收效率，從而顯著提高了反應(yīng)效率。此外，通過(guò)增大光反應(yīng)區(qū)域螺旋管的長(zhǎng)度，使循環(huán)光反應(yīng)區(qū)域容納的反應(yīng)液體積增大，或者通過(guò)三通閥a不斷補(bǔ)充反應(yīng)物料，能夠?qū)崿F(xiàn)批量合成，有效克服了反應(yīng)規(guī)模受反應(yīng)器體積限制的問(wèn)題。產(chǎn)物的表征是實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，研究團(tuán)隊(duì)采用了多種先進(jìn)的分析技術(shù)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行全面表征。利用紅外光譜（IR）分析產(chǎn)物的化學(xué)鍵和官能團(tuán)信息，通過(guò)檢測(cè)特征吸收峰來(lái)確定產(chǎn)物中是否存在目標(biāo)官能團(tuán)，如酰胺鍵、芳環(huán)等的特征吸收峰，從而初步判斷產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。核磁共振波譜法（NMR）則用于確定產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)環(huán)境，通過(guò)1HNMR和13CNMR譜圖，可以準(zhǔn)確地分析產(chǎn)物中氫原子和碳原子的化學(xué)位移、耦合常數(shù)等信息，進(jìn)一步確定產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和純度。研究團(tuán)隊(duì)還可能使用高分辨率質(zhì)譜（HRMS）來(lái)精確測(cè)定產(chǎn)物的分子量，通過(guò)與理論分子量的對(duì)比，確定產(chǎn)物的分子式，為產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)。3.2.2案例二：缺陷Zn?In?S?光氧化還原促進(jìn)二氫異喹啉和H?O?共生產(chǎn)由華東師范大學(xué)羅娟娟作為第一作者，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林院士、華東師范大學(xué)陳立松副教授作為通訊作者發(fā)表的論文中指出，光合成以低成本和環(huán)境友好的方式生產(chǎn)過(guò)氧化氫（H?O?）是最可持續(xù)和最有前景的方法之一。然而，光合成存在光生載流子利用率低和H?O?產(chǎn)率低的問(wèn)題。雖然通過(guò)添加質(zhì)子供體（異丙醇或乙醇）可以降低合成H?O?的氧化屏障進(jìn)而提高H?O?產(chǎn)量，但是將不可避免地提高成本，與此同時(shí)，光生空穴（h?）的氧化能力被全數(shù)浪費(fèi)。因此，找尋一個(gè)特定的質(zhì)子供體能以高選擇性的方式自身氧化成高附加值的產(chǎn)物，同時(shí)促進(jìn)光催化產(chǎn)H?O?，是提升光催化體系整體經(jīng)濟(jì)效益的有效策略。二氫異喹啉衍生物（DHIQs）是藥物合成和制藥工業(yè)中非常有價(jià)值的中間體，由四氫異喹啉衍生物（THIQs）的催化脫氫生產(chǎn)，然而存在生產(chǎn)成本高，操作程序復(fù)雜，選擇性差和破壞環(huán)境等缺點(diǎn)。通過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研，已知通過(guò)光催化反應(yīng)得到四氫異喹啉的半脫氫產(chǎn)物是十分困難的，這通常伴隨有不理想的全脫氫產(chǎn)物異喹啉（IQs）的生成。因此，尋找一種高效的光催化劑在溫和條件下光合成高純度半脫氫產(chǎn)物（DHIQs），將是一個(gè)別具吸引力的策略。此外，充分利用THIQs脫氫產(chǎn)生的氫質(zhì)子可以提高原子利用率和產(chǎn)物價(jià)值?；谏鲜霰尘?，該研究將THIQs用作特別的質(zhì)子供體，用于熱力學(xué)上可行的選擇性半脫氫反應(yīng)，生成具有高附加值的DHIQs，同時(shí)在雙功能光催化劑Zn?In?S?的催化下，在一個(gè)光氧化反應(yīng)中耦合并促進(jìn)H?O?的生成。缺陷Zn?In?S?在可見(jiàn)光（λ≥400nm）照射下分別以66.4mmolh?1g?1和62.1mmolh?1g?1的高速率生成H?O?和DHIQ。在該研究中，光催化劑Zn?In?S?起著核心作用。通過(guò)缺陷工程和形貌調(diào)控，制備得到的缺陷Zn?In?S?具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能。缺陷工程使其能夠作為電子接收器捕獲光產(chǎn)生的電子，從而延長(zhǎng)載流子壽命，減少光生載流子的復(fù)合，提高光催化效率；形貌調(diào)控則幫助暴露更多活躍的表面位點(diǎn)，促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行。在反應(yīng)過(guò)程中，光催化劑吸收可見(jiàn)光后被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子參與到氧氣的還原過(guò)程中，生成過(guò)氧化氫；空穴則與作為質(zhì)子供體的THIQs發(fā)生作用，促使THIQs發(fā)生選擇性半脫氫反應(yīng)，生成DHIQs。通過(guò)原位ESR分析、自由基捕獲實(shí)驗(yàn)及溶液中活性氧（ROS）的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，ROS（?O?和1O?），h?和質(zhì)子供體（THIQs）之間的協(xié)同作用在光催化共生產(chǎn)H?O?和DHIQs反應(yīng)中起關(guān)鍵作用，這在以前的研究中基本上被忽略。原位FTIR表明通過(guò)*OOH中間途徑在Zn?In?S?表面生成H?O?。該反應(yīng)機(jī)理的揭示，為進(jìn)一步優(yōu)化光催化反應(yīng)條件，提高產(chǎn)物的產(chǎn)率和選擇性提供了理論基礎(chǔ)。產(chǎn)物共生成的意義重大。從原子經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，實(shí)現(xiàn)了光催化反應(yīng)中原子的高效利用，避免了傳統(tǒng)方法中因添加額外質(zhì)子供體而導(dǎo)致的原子浪費(fèi)，提高了反應(yīng)的原子利用率，符合綠色化學(xué)的理念。同時(shí)生成了太陽(yáng)能液體燃料（H?O?）和高附加值化學(xué)品（DHIQs），為太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化和利用提供了新的途徑，也為藥物合成和制藥工業(yè)提供了重要的中間體，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這種共生產(chǎn)模式為光催化領(lǐng)域的研究開(kāi)辟了新的方向，為解決能源和化工領(lǐng)域的相關(guān)問(wèn)題提供了新的思路和方法。3.3可見(jiàn)光促進(jìn)異喹啉合成反應(yīng)的發(fā)展前景可見(jiàn)光促進(jìn)的異喹啉合成反應(yīng)在綠色合成領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注度不斷提高，綠色化學(xué)的理念日益深入人心?？梢?jiàn)光作為一種清潔、可再生的能源，在異喹啉合成反應(yīng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在重慶大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以氮化碳半導(dǎo)體材料為催化劑合成異喹啉酮生物堿的實(shí)驗(yàn)中，采用的氮化碳半導(dǎo)體材料穩(wěn)定性好、對(duì)人體無(wú)毒害、成本低廉，且反應(yīng)條件溫和，無(wú)二次污染。反應(yīng)以氧氣作為綠色、經(jīng)濟(jì)的氧化劑，避免了傳統(tǒng)合成方法中使用強(qiáng)氧化劑或還原劑所帶來(lái)的環(huán)境污染和安全隱患。這種綠色合成方法符合現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的要求，有望在大規(guī)模生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，為綠色化學(xué)合成工藝的發(fā)展提供新的思路和方法。在高附加值產(chǎn)物制備方面，可見(jiàn)光促進(jìn)的異喹啉合成反應(yīng)具有重要的應(yīng)用前景。異喹啉類(lèi)化合物在藥物化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，許多異喹啉衍生物具有顯著的生物活性，是藥物研發(fā)的重要靶點(diǎn)；在材料科學(xué)中，也可用于制備高性能的功能材料。通過(guò)可見(jiàn)光促進(jìn)的反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異喹啉類(lèi)化合物的精準(zhǔn)合成和結(jié)構(gòu)修飾，制備出具有特定結(jié)構(gòu)和功能的高附加值產(chǎn)物。在缺陷Zn?In?S?光氧化還原促進(jìn)二氫異喹啉和H?O?共生產(chǎn)的研究中，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)光氧化反應(yīng)中同時(shí)生成太陽(yáng)能液體燃料（H?O?）和高附加值化學(xué)品（二氫異喹啉衍生物）。這種共生產(chǎn)模式不僅提高了原子利用率，還為太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化和利用提供了新的途徑，同時(shí)為藥物合成和制藥工業(yè)提供了重要的中間體，滿足了相關(guān)領(lǐng)域?qū)Ω吒郊又诞a(chǎn)物的需求，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。隨著科技的不斷進(jìn)步，新的光催化劑和反應(yīng)體系將不斷涌現(xiàn)，為可見(jiàn)光促進(jìn)的異喹啉合成反應(yīng)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。研究人員可以通過(guò)設(shè)計(jì)和合成新型的光催化劑，如具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的半導(dǎo)體材料、金屬有機(jī)框架材料（MOFs）等，進(jìn)一步提高光催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。開(kāi)發(fā)更加高效的反應(yīng)體系，如連續(xù)流反應(yīng)體系、微流控反應(yīng)體系等，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)的連續(xù)化、自動(dòng)化和規(guī)?；a(chǎn)，提高反應(yīng)效率和產(chǎn)物質(zhì)量。將可見(jiàn)光促進(jìn)的異喹啉合成反應(yīng)與其他合成技術(shù)，如電化學(xué)合成、生物催化等相結(jié)合，形成協(xié)同催化體系，也有望拓展反應(yīng)的類(lèi)型和底物范圍，實(shí)現(xiàn)更加多樣化和復(fù)雜化的異喹啉類(lèi)化合物的合成。理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在可見(jiàn)光促進(jìn)的異喹啉合成反應(yīng)中的應(yīng)用也將不斷深入。通過(guò)理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬，可以深入研究反應(yīng)機(jī)理、預(yù)測(cè)反應(yīng)活性和選擇性，為反應(yīng)條件的優(yōu)化和新反應(yīng)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。量子化學(xué)計(jì)算可以精確地計(jì)算光催化劑和底物的電子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)中間體的能量和結(jié)構(gòu)，從而揭示反應(yīng)的微觀過(guò)程和本質(zhì)。分子動(dòng)力學(xué)模擬可以模擬反應(yīng)體系中分子的運(yùn)動(dòng)和相互作用，研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)過(guò)程，為反應(yīng)體系的優(yōu)化提供依據(jù)。這些理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用，將有助于加速可見(jiàn)光促進(jìn)的異喹啉合成反應(yīng)的研究和開(kāi)發(fā)，推動(dòng)該領(lǐng)域的快速發(fā)展。四、對(duì)比分析與展望4.1可見(jiàn)光促進(jìn)反應(yīng)與傳統(tǒng)合成方法對(duì)比在反應(yīng)條件方面，傳統(tǒng)的吲哚和異喹啉合成方法往往較為苛刻。以傳統(tǒng)的Fischer吲哚合成法來(lái)說(shuō)，通常需要較高的溫度，一般在100℃以上，且常需使用強(qiáng)酸或強(qiáng)脫水劑等。在某些Fischer吲哚合成反應(yīng)中，為了促進(jìn)苯腙衍生物的重排環(huán)化，需要加熱至150℃左右，并且使用多聚磷酸等強(qiáng)脫水劑，這不僅對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求高，還可能導(dǎo)致底物或產(chǎn)物的分解，產(chǎn)生較多副反應(yīng)。而可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)，如可見(jiàn)光氧化還原/鎳雙催化體系實(shí)現(xiàn)吲哚與未活化胺的交叉脫氫胺化反應(yīng)，僅需在30W450nm藍(lán)光照射下，于室溫條件下即可進(jìn)行，極大地降低了反應(yīng)的能耗和對(duì)設(shè)備的要求，減少了副反應(yīng)的發(fā)生。傳統(tǒng)的Bischler–Napieralski反應(yīng)合成異喹啉時(shí)，反應(yīng)溫度通常較高，且需使用具有腐蝕性和毒性的脫水試劑，如三氯氧磷、五氧化二磷等。相比之下，可見(jiàn)光介導(dǎo)下以氮化碳半導(dǎo)體為催化劑合成異喹啉酮生物堿的反應(yīng)，條件溫和，無(wú)需高溫和強(qiáng)腐蝕性試劑，反應(yīng)在室溫下即可順利進(jìn)行，且使用的氮化碳半導(dǎo)體催化劑穩(wěn)定性好、對(duì)人體無(wú)毒害，反應(yīng)過(guò)程無(wú)二次污染。產(chǎn)率是衡量合成方法優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。傳統(tǒng)合成方法在產(chǎn)率方面存在一定的局限性。在一些傳統(tǒng)的吲哚合成反應(yīng)中，由于反應(yīng)選擇性差，會(huì)生成多種異構(gòu)體，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率較低。傳統(tǒng)的Bischler-Napieralski反應(yīng)合成異喹啉時(shí)，由于反應(yīng)條件苛刻，副反應(yīng)較多，產(chǎn)率通常在中等水平，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的底物，產(chǎn)率甚至更低。而可見(jiàn)光促進(jìn)的反應(yīng)在產(chǎn)率上具有一定優(yōu)勢(shì)。在可見(jiàn)光催化的飽和含氮雜環(huán)與吲哚的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)反應(yīng)條件和選擇合適的光催化劑，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的產(chǎn)率。對(duì)于一些常見(jiàn)的底物組合，能夠以70%以上的產(chǎn)率得到目標(biāo)產(chǎn)物。在可見(jiàn)光介導(dǎo)下以氮化碳半導(dǎo)體為催化劑合成異喹啉酮生物堿的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件，也能獲得較高的產(chǎn)率，為異喹啉酮生物堿的合成提供了一種高效的方法。從環(huán)保性角度來(lái)看，傳統(tǒng)合成方法存在較大的環(huán)境壓力。傳統(tǒng)方法中大量使用的化學(xué)試劑，如強(qiáng)氧化劑、強(qiáng)還原劑、腐蝕性的脫水劑等，在反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，這些廢棄物的處理難度較大，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。傳統(tǒng)的吲哚合成方法中使用的苯肼及其衍生物，在空氣中容易氧化不穩(wěn)定，且具有一定的毒性，對(duì)操作人員和環(huán)境都存在危害。而可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)以可見(jiàn)光作為能源，避免了對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)試劑的大量依賴(lài)，減少了廢棄物的產(chǎn)生，具有良好的環(huán)保性。在可見(jiàn)光催化合成3-羥基異吲哚啉酮的反應(yīng)中，無(wú)需使用昂貴的過(guò)渡金屬催化劑和強(qiáng)堿，減少了重金屬污染和堿性廢棄物的排放，符合綠色化學(xué)的理念。4.2可見(jiàn)光促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)在光催化劑改進(jìn)方面，開(kāi)發(fā)新型、高效、廉價(jià)且可持續(xù)的光催化劑是未來(lái)的重要研究方向之一。目前常用的光催化劑存在一些局限性，如過(guò)渡金屬配合物價(jià)格昂貴，有機(jī)染料穩(wěn)定性較差等。研究人員正在探索新的光催化劑體系，包括新型半導(dǎo)體材料、金屬有機(jī)框架材料（MOFs）以及有機(jī)小分子光催化劑等。通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行元素?fù)诫s、表面修飾等手段，可以調(diào)節(jié)其能帶結(jié)構(gòu)和光吸收性能，提高光生載流子的分離效率，從而增強(qiáng)光催化活性。對(duì)二氧化鈦進(jìn)行氮摻雜，可以使其光響應(yīng)范圍拓展至可見(jiàn)光區(qū)，提高對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。金屬有機(jī)框架材料具有高度可設(shè)計(jì)性和大比表面積的特點(diǎn)，能夠負(fù)載多種活性位點(diǎn)，有望成為新型的光催化劑或光催化劑載體。一些基于聯(lián)吡啶配體的金屬有機(jī)框架材料，通過(guò)合理設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)和組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光的高效吸收和利用，在吲哚和異喹啉合成反應(yīng)中展現(xiàn)出良好的催化性能。開(kāi)發(fā)具有可見(jiàn)光響應(yīng)的無(wú)金屬有機(jī)小分子光催化劑也是一個(gè)研究熱點(diǎn)，這類(lèi)光催化劑具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于修飾等優(yōu)點(diǎn)，在一些有機(jī)合成反應(yīng)中已表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。一些具有共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子，如吩噻嗪類(lèi)化合物，能夠在可見(jiàn)光照射下發(fā)生分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生高活性的自由基中間體，從而促進(jìn)吲哚和異喹啉的合成反應(yīng)。反應(yīng)體系的優(yōu)化也是可見(jiàn)光促進(jìn)氧化還原反應(yīng)發(fā)展的關(guān)鍵。進(jìn)一步研究反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)活性和選擇性的影響規(guī)律，如光照強(qiáng)度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、底物濃度、溶劑種類(lèi)等，通過(guò)精細(xì)調(diào)控這些反應(yīng)條件，可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的高效進(jìn)行和產(chǎn)物的高選擇性合成。在某些可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)中，通過(guò)優(yōu)化光照強(qiáng)度和反應(yīng)時(shí)間，可以顯著提高反應(yīng)的產(chǎn)率和選擇性；選擇合適的溶劑，不僅可以影響底物和光催化劑的溶解性，還能對(duì)反應(yīng)中間體的穩(wěn)定性和反應(yīng)路徑產(chǎn)生影響，從而優(yōu)化反應(yīng)結(jié)果。將可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)與其他合成技術(shù)相結(jié)合，形成協(xié)同催化體系，也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。將光催化與電化學(xué)合成相結(jié)合，利用電場(chǎng)促進(jìn)光生載流子的分離和轉(zhuǎn)移，提高反應(yīng)效率；將光催化與生物催化相結(jié)合，利用生物酶的高選擇性和溫和反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜有機(jī)分子的綠色合成。在異喹啉合成反應(yīng)中，通過(guò)光催化與電化學(xué)合成的協(xié)同作用，可以在更溫和的條件下實(shí)現(xiàn)異喹啉類(lèi)化合物的高效合成，同時(shí)減少副反應(yīng)的發(fā)生。底物拓展和新型反應(yīng)路徑的探索將不斷豐富可見(jiàn)光促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用范圍。研究具有不同官能團(tuán)和結(jié)構(gòu)特征的底物參與反應(yīng)的可能性，深入研究底物的電子效應(yīng)、空間位阻等因素對(duì)反應(yīng)的影響，開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)體系和方法，以實(shí)現(xiàn)更多種類(lèi)的吲哚和異喹啉類(lèi)化合物的合成。探索含有多個(gè)敏感官能團(tuán)或空間位阻較大的底物在可見(jiàn)光促進(jìn)反應(yīng)中的活性和選擇性，通過(guò)合理設(shè)計(jì)反應(yīng)條件和選擇合適的光催化劑，實(shí)現(xiàn)這類(lèi)底物的有效轉(zhuǎn)化。尋找新的反應(yīng)路徑，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以達(dá)成的化學(xué)鍵的構(gòu)建和轉(zhuǎn)化，為吲哚和異喹啉類(lèi)化合物的合成提供更多的選擇。通過(guò)可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)吲哚和異喹啉環(huán)上的C-H鍵直接官能團(tuán)化，避免傳統(tǒng)方法中需要對(duì)底物進(jìn)行預(yù)官能團(tuán)化的步驟，簡(jiǎn)化合成路線，提高原子經(jīng)濟(jì)性。理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在可見(jiàn)光促進(jìn)氧化還原反應(yīng)研究中的應(yīng)用將日益深入。通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法，可以深入研究光催化劑的電子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)中間體的能量和結(jié)構(gòu)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)過(guò)程等，為反應(yīng)機(jī)理的研究和反應(yīng)條件的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。量子化學(xué)計(jì)算可以精確地計(jì)算光催化劑和底物的電子結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)光催化劑的激發(fā)態(tài)性質(zhì)和反應(yīng)活性，從而指導(dǎo)新型光催化劑的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。分子動(dòng)力學(xué)模擬可以模擬反應(yīng)體系中分子的運(yùn)動(dòng)和相互作用，研究反應(yīng)過(guò)程中的能量變化和物質(zhì)傳遞，為反應(yīng)條件的優(yōu)化和反應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)中，通過(guò)理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬，可以深入研究光催化劑與底物之間的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程、自由基中間體的生成和反應(yīng)路徑，從而優(yōu)化反應(yīng)條件，提高反應(yīng)的效率和選擇性。4.3研究的不足與未來(lái)研究方向盡管可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)在吲哚和異喹啉合成中取得了顯著進(jìn)展，但目前仍存在一些不足之處。光催化劑的成本和穩(wěn)定性是制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。部分過(guò)渡金屬配合物光催化劑價(jià)格昂貴，且一些有機(jī)染料光催化劑在反應(yīng)過(guò)程中容易發(fā)生降解，穩(wěn)定性較差，這限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。反應(yīng)機(jī)理的研究雖然取得了一定成果，但仍存在許多未知領(lǐng)域。對(duì)于一些復(fù)雜的反應(yīng)體系，自由基或離子自由基中間體的生成、反應(yīng)路徑以及影響反應(yīng)選擇性的因素等方面，還需要進(jìn)一步深入研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。底物的范圍和適用性有待進(jìn)一步拓展。目前，對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)的底物或具有復(fù)雜官能團(tuán)的底物，反應(yīng)的活性和選擇性仍然較低，甚至無(wú)法發(fā)生反應(yīng)，限制了該反應(yīng)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。未來(lái)的研究可以從以下幾個(gè)方向展開(kāi)。探索新型光催化劑和反應(yīng)體系是關(guān)鍵方向之一。研究人員可以致力于開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉、催化活性高、穩(wěn)定性好的新型光催化劑，如新型半導(dǎo)體材料、金屬有機(jī)框架材料（MOFs）以及有機(jī)小分子光催化劑等。通過(guò)對(duì)這些新型光催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，提高其在可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚和異喹啉合成反應(yīng)中的催化效率和選擇性。進(jìn)一步研究反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)活性和選擇性的影響規(guī)律，優(yōu)化反應(yīng)體系，將可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)與其他合成技術(shù)相結(jié)合，形成協(xié)同催化體系，以提高反應(yīng)效率和拓展反應(yīng)類(lèi)型。完善反應(yīng)機(jī)理的研究至關(guān)重要。運(yùn)用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如原位光譜技術(shù)、高分辨質(zhì)譜技術(shù)等，深入研究反應(yīng)過(guò)程中自由基或離子自由基中間體的生成、反應(yīng)路徑以及影響反應(yīng)選擇性的因素，為反應(yīng)條件的優(yōu)化和新反應(yīng)的設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬等理論計(jì)算方法，深入研究光催化劑和底物的電子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)中間體的能量和結(jié)構(gòu)，揭示反應(yīng)的微觀過(guò)程和本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和調(diào)控。拓展底物的范圍和應(yīng)用領(lǐng)域是未來(lái)研究的重要目標(biāo)。研究具有不同官能團(tuán)和結(jié)構(gòu)特征的底物參與反應(yīng)的可能性，開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)體系和方法，以實(shí)現(xiàn)更多種類(lèi)的吲哚和異喹啉類(lèi)化合物的合成。將可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)應(yīng)用于更多領(lǐng)域，如天然產(chǎn)物全合成、藥物研發(fā)、材料科學(xué)等，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供新的技術(shù)和方法。深入研究底物結(jié)構(gòu)與反應(yīng)活性、選擇性之間的關(guān)系，建立相關(guān)的構(gòu)效關(guān)系模型，為底物的合理設(shè)計(jì)和反應(yīng)的預(yù)測(cè)提供理論支持，指導(dǎo)新型吲哚和異喹啉類(lèi)化合物的合成。五、結(jié)論5.1研究成果總結(jié)本研究系統(tǒng)地探討了可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)在吲哚和異喹啉合成中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)多個(gè)反應(yīng)案例的深入分析，取得了一系列具有重要理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的成果。在吲哚合成方面，成功研究了多種可見(jiàn)光促進(jìn)的吲哚合成反應(yīng)?？梢?jiàn)光氧化還原/鎳雙催化體系實(shí)現(xiàn)了吲哚與未活化胺的交叉脫氫胺化反應(yīng)，為氨基吲哚類(lèi)化合物的合成提供了綠色高效的新方法。在最優(yōu)反應(yīng)條件下，以N-甲基吲哚和嗎啉為底物，能以77%的產(chǎn)率獲得目標(biāo)胺化產(chǎn)物。該反應(yīng)對(duì)多種N-保護(hù)吲哚和不同結(jié)構(gòu)的胺都具有良好的兼容性，帶有不同取代基的吲哚，包括烷基、烷氧基、鹵素和酯基，以及具有不同官能團(tuán)的哌嗪和哌啶衍生物等，都能順利進(jìn)行反應(yīng)，得到相應(yīng)的產(chǎn)物。通過(guò)一系列控制實(shí)驗(yàn)，明確了反應(yīng)機(jī)理，證實(shí)了反應(yīng)過(guò)程中涉及自由基中間體的生成，以及光催化劑與底物之間的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程?？梢?jiàn)光引發(fā)的氧化吲哚芳基化反應(yīng)，首次報(bào)道了在無(wú)過(guò)渡金屬催化劑下，通過(guò)氧化吲哚和鹵代芳烴在堿性條件下形成電子給體-受體復(fù)合物，吸收可見(jiàn)光后經(jīng)電子轉(zhuǎn)移的自由基反應(yīng)歷程生成3-芳基氧化吲哚。該反應(yīng)條件溫和，用普通的家用節(jié)能燈即可引發(fā)，對(duì)各種不同的氧化吲哚和鹵代芳烴都具有良好的普適性，為3-芳基氧化吲哚化合物的合成提供了全新的、綠色且簡(jiǎn)便的方法?？梢?jiàn)光催化的飽和含氮雜環(huán)與吲哚的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了含氮雜環(huán)與吲哚之間的直接C-H鍵官能團(tuán)化，避免了底物的預(yù)官能團(tuán)化，提高了原子經(jīng)濟(jì)性。不僅多種飽和含氮雜環(huán)能與吲哚順利發(fā)生交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)，還實(shí)現(xiàn)了TMSCN、吡咯、硝基甲烷等與飽和含氮雜環(huán)的偶聯(lián)反應(yīng)，極大地拓寬了反應(yīng)的應(yīng)用范圍。通過(guò)引入手性Br?nsted酸，實(shí)現(xiàn)了該反應(yīng)的不對(duì)稱(chēng)催化，為合成具有光學(xué)活性的含有飽和含氮雜環(huán)和吲哚結(jié)構(gòu)的化合物奠定了基礎(chǔ)。在異喹啉合成方面，也取得了顯著進(jìn)展?？梢?jiàn)光介導(dǎo)下以氮化碳半導(dǎo)體為催化劑合成異喹啉酮生物堿，選用氮化碳半導(dǎo)體材料（g-C?N?）作為非均相光催化劑，氧氣作為綠色、經(jīng)濟(jì)的氧化劑，在可見(jiàn)光照射下實(shí)現(xiàn)了異喹啉酮生物堿的合成。搭建的簡(jiǎn)易連續(xù)流光化學(xué)反應(yīng)裝置，具有反應(yīng)物料與空氣接觸面積大、反應(yīng)停留時(shí)間可精確調(diào)控、光照面積大、光吸收效率高、可實(shí)現(xiàn)批量合成等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)紅外光譜、核磁共振波譜法和高分辨率質(zhì)譜等多種分析技術(shù)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了全面表征，為異喹啉酮生物堿的合成提供了新的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)支持。缺陷Zn?In?S?光氧化還原促進(jìn)二氫異喹啉和H?O?共生產(chǎn)，將四氫異喹啉衍生物（THIQs）用作質(zhì)子供體，在雙功能光催化劑Zn?In?S?的催化下，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)光氧化反應(yīng)中同時(shí)生成二氫異喹啉衍生物（DHIQs）和H?O?。缺陷Zn?In?S?在可見(jiàn)光照射下分別以66.4mmolh?1g?1和62.1mmolh?1g?1的高速率生成H?O?和DHIQ。通過(guò)原位ESR分析、自由基捕獲實(shí)驗(yàn)及溶液中活性氧（ROS）的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)等，明確了ROS、h?和質(zhì)子供體（THIQs）之間的協(xié)同作用在光催化共生產(chǎn)H?O?和DHIQs反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。該研究實(shí)現(xiàn)了光催化反應(yīng)中原子的高效利用，同時(shí)生成了太陽(yáng)能液體燃料和高附加值化學(xué)品，為太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化和利用以及藥物合成提供了新的途徑。5.2研究的創(chuàng)新性與貢獻(xiàn)本研究在可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)應(yīng)用于吲哚和異喹啉合成領(lǐng)域展現(xiàn)出多方面的創(chuàng)新性與重要貢獻(xiàn)。在方法創(chuàng)新上，本研究突破傳統(tǒng)合成思路，引入可見(jiàn)光促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)，為吲哚和異喹啉的合成提供了全新策略。在吲哚合成中，可見(jiàn)光氧化還原/鎳雙催化體系實(shí)現(xiàn)吲哚與未活化胺的交叉脫氫胺化反應(yīng)，打破了傳統(tǒng)方法對(duì)底物預(yù)官能團(tuán)化的依賴(lài)，從步驟經(jīng)濟(jì)性和原子經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，提供了一種直接且高效的C-H胺化途徑，避免了傳統(tǒng)方法中使用氧化型N-試劑或額外化學(xué)計(jì)量氧化劑帶來(lái)的不利因素。在異