Photoredoxkatalyse

Die Photoredoxkatalyse ist ein Teilgebiet der Photochemie , das auf dem Transfer einzelner Elektronen basiert . Photoredoxkatalysatoren stammen im Allgemeinen aus drei Materialklassen: Übergangsmetallkomplexen, organischen Farbstoffen und Halbleitern . Während organische Photoredoxkatalysatoren in den 1990er und frühen 2000er Jahren dominierten ^{[ 1 ]} , werden heute häufiger lösliche Übergangsmetallkomplexe eingesetzt.

Sensibilisatoren absorbieren Licht und bilden redoxaktive angeregte Zustände. Bei vielen metallbasierten Sensibilisatoren erfolgt die Anregung durch einen Metall-Ligand-Ladungstransfer , bei dem ein Elektron vom Metall (z. B. von einem ad-Orbital) zu einem Orbital der Liganden (z. B. dem π*-Orbital eines aromatischen Liganden) wandert. Dieser anfängliche angeregte elektronische Zustand relaxiert durch interne Konversion in einen Singulett-Zustand . Dabei wird Energie als Schwingungsenergie (Wärme) und nicht als elektromagnetische Strahlung abgegeben. Dieser Singulett-Zustand kann durch zwei verschiedene Prozesse weiter relaxieren: Der Katalysator kann fluoreszieren , ein Photon aussenden und in den ursprünglichen Singulett-Grundzustand zurückkehren, oder er kann durch einen zweiten strahlungslosen Prozess, den sogenannten Intersystem Crossing , in den energieärmsten Triplett-Zustand (einen Zustand mit zwei ungepaarten Elektronen gleichen Spin) übergehen .

Die direkte Relaxation des angeregten Triplettzustands in den Grundzustand, die als Phosphoreszenz bezeichnet wird , erfordert sowohl die Emission eines Photons als auch die Spinumkehr des angeregten Elektrons. Dieser Prozess verläuft langsam, da er spinverboten ist , weshalb der Triplett-Anregungszustand eine beträchtliche mittlere Lebensdauer aufweist. Für den häufig verwendeten Photosensibilisator Tris-(2,2'-bipyridyl)ruthenium (abgekürzt [Ru(bipy) _₃ ] ^²⁺ oder [Ru(bpy) _₃ ] ^²⁺ ) beträgt die Lebensdauer des Triplett-Anregungszustands etwa 1100 ns. Diese Lebensdauer ist ausreichend, damit andere Relaxationsprozesse (insbesondere Elektronentransferprozesse) vor dem Zerfall des Katalysators in seinen Grundzustand ablaufen können.

Der durch Photoanregung zugängliche, langlebige Triplett-Anregungszustand ist sowohl ein stärkeres Reduktions- als auch ein stärkeres Oxidationsmittel als der Grundzustand des Katalysators. Da der Sensibilisator koordinativ gesättigt ist, muss der Elektronentransfer über einen äußeren Sphärenprozess erfolgen , bei dem das Elektron zwischen Katalysator und Substrat tunnelt .

Marcus' Theorie des äußeren Elektronentransfers sagt voraus, dass ein solcher Tunnelprozess am schnellsten in Systemen abläuft, in denen der Elektronentransfer thermodynamisch günstig ist (d. h. zwischen starken Reduktionsmitteln und Oxidationsmitteln) und in denen der Elektronentransfer eine niedrige intrinsische Barriere aufweist.

Die intrinsische Barriere des Elektronentransfers leitet sich aus dem Franck-Condon-Prinzip ab , welches besagt, dass ein elektronischer Übergang umso schneller erfolgt, je größer die Überlappung zwischen dem anfänglichen und dem endgültigen elektronischen Zustand ist. Vereinfacht ausgedrückt, legt dieses Prinzip nahe, dass die Barriere eines elektronischen Übergangs mit dem Grad der Reorganisation des Systems zusammenhängt. Bei einem elektronischen Übergang in einem System ist die Barriere mit der „Überlappung“ zwischen den anfänglichen und endgültigen Wellenfunktionen des angeregten Elektrons verknüpft – also mit dem Ausmaß, in dem sich das Elektron während des Übergangs „bewegen“ muss.

Bei einem intermolekularen Elektronentransfer spielt die Bewegung der Atomkerne als Reaktion auf die Veränderung ihrer neuen elektronischen Umgebung eine ähnliche Rolle. Unmittelbar nach dem Elektronentransfer befindet sich die Kernanordnung des Moleküls, die zuvor im Gleichgewicht war, in einem schwingungsangeregten Zustand und muss in ihre neue Gleichgewichtsgeometrie relaxieren. Starre Systeme, deren Geometrie nur geringfügig vom Oxidationszustand abhängt , erfahren daher während des Elektronentransfers eine geringere Schwingungsanregung und weisen eine niedrigere intrinsische Barriere auf. Photokatalysatoren wie [Ru(bipy) _₃ ] ^{²⁺ werden durch flache, zweizähnige Liganden, die} oktaedrisch um das Metallzentrum angeordnet sind, in einer starren Anordnung gehalten . Daher erfährt der Komplex während des Elektronentransfers nur geringe Reorganisation. Da der Elektronentransfer dieser Komplexe schnell abläuft, findet er wahrscheinlich innerhalb der Dauer des aktiven Zustands des Katalysators statt, d. h. während der Lebensdauer des Triplett-angeregten Zustands.

Um den Grundzustand wiederherzustellen, muss der Katalysator an einem zweiten äußeren Elektronentransfer teilnehmen. In vielen Fällen erfolgt dieser Elektronentransfer mit einem stöchiometrischen Zwei-Elektronen-Reduktionsmittel oder -Oxidationsmittel, obwohl in einigen Fällen ein zweites Reagenz benötigt wird .

Da der Elektronentransfer im katalytischen Zyklus vom Triplett-Anregungszustand ausgeht, konkurriert er mit der Phosphoreszenz als Relaxationsweg. Stern-Volmer-Experimente messen die Phosphoreszenzintensität bei variierender Konzentration verschiedener potenzieller Quencher. Die Änderung der Konzentration des jeweiligen Quenchers beeinflusst die Elektronentransferrate und den Grad der Phosphoreszenz. Dieser Zusammenhang wird durch die folgende Gleichung modelliert:

${\displaystyle \left({\frac {I_{0}}{I}}\right)=1+{k_{q}}*{\tau _{0}}\times [Q]}$

Hierbei bezeichnen I und _I₀ die Emissionsintensität mit bzw. ohne Quenchmittel, k_{_q} die Geschwindigkeitskonstante des Quenchprozesses, τ₀ _die Lebensdauer des angeregten Zustands ohne Quenchmittel und [Q] die Konzentration des Quenchmittels. Ist die Lebensdauer des angeregten Zustands des Photoredoxkatalysators aus anderen Experimenten bekannt, lässt sich die Geschwindigkeitskonstante des Quenchprozesses in Gegenwart einer einzelnen Reaktionskomponente durch Messung der Änderung der Emissionsintensität in Abhängigkeit von der Konzentration des Quenchmittels bestimmen.

Die Redoxpotentiale von Photoredoxkatalysatoren müssen an die der anderen Reaktionskomponenten angepasst werden. Während sich Redoxpotentiale im Grundzustand leicht mittels Cyclovoltammetrie oder anderer elektrochemischer Methoden messen lassen, ist die Messung des Redoxpotentials eines elektronisch angeregten Zustands mit diesen Methoden nicht direkt möglich. ^{[ 2 ]} Es existieren jedoch zwei Methoden zur Abschätzung der Redoxpotentiale im angeregten Zustand sowie eine Methode zur direkten Messung dieser Potentiale. Zur Abschätzung der Redoxpotentiale im angeregten Zustand kann man die Elektronentransferraten vom angeregten Zustand zu einer Reihe von Grundzustandsreaktanten mit bekannten Redoxpotentialen vergleichen. Eine gebräuchlichere Methode zur Abschätzung dieser Potentiale ist die Verwendung einer von Rehm und Weller entwickelten Gleichung, die die Potentiale des angeregten Zustands als Korrektur der Potentiale im Grundzustand beschreibt.

${\displaystyle {{E^{*}}_{1/2}}^{red}={E_{1/2}}^{red}+E_{0,0}+w_{r}}$

${\displaystyle {{E^{*}}_{1/2}}^{ox}={E_{1/2}}^{ox}-E_{0,0}+w_{r}}$

In diesen Formeln steht E* _{_1/2} für das Reduktions- oder Oxidationspotential des angeregten Zustands, E _{_1/2} für das Reduktions- oder Oxidationspotential des Grundzustands, E _{_0,0} für die Energiedifferenz zwischen den nullten Schwingungszuständen des Grund- und des angeregten Zustands und w_{_r} für die Austrittsarbeit , eine elektrostatische Wechselwirkung, die durch die Ladungstrennung beim Elektronentransfer zwischen zwei chemischen Spezies entsteht . Die Null-Null-Anregungsenergie E _{_0,0} wird üblicherweise durch den entsprechenden Übergang im Fluoreszenzspektrum angenähert. Diese Methode ermöglicht die Berechnung von angeregten Redoxpotentialen aus den leichter messbaren Redoxpotentialen des Grundzustands und spektroskopischen Daten.

Die direkte Messung der Redoxpotentiale angeregter Zustände ist mittels phasenmodulierter Voltammetrie möglich . Dabei wird eine elektrochemische Zelle mit Licht bestrahlt , um die gewünschten angeregten Spezies zu erzeugen. Die Lichtintensität wird sinusförmig moduliert , sodass die Konzentration der angeregten Spezies nicht konstant ist. Die Konzentration der angeregten Spezies in der Zelle ändert sich exakt phasengleich mit der Intensität des einfallenden Lichts. Ist das angelegte Potential hoch genug für einen Elektronentransfer, lässt sich die Konzentrationsänderung des redoxaktiven angeregten Zustands als Wechselstrom messen. Die Phasenverschiebung dieses Wechselstroms relativ zur Intensität des einfallenden Lichts entspricht der mittleren Lebensdauer einer angeregten Spezies vor dem Elektronentransfer.

Tabellen mit Redoxpotentialen für die gebräuchlichsten Photoredoxkatalysatoren sind zum schnellen Zugriff verfügbar. ^{[ 3 ]}

Die reduzierenden und oxidierenden Eigenschaften dieser Photokatalysatoren lassen sich durch die Elektronegativität der Liganden und des Metallzentrums im Katalysatorkomplex erklären. Elektronegativere Metalle und Liganden stabilisieren Elektronen besser als ihre weniger elektronegativen Gegenstücke. Daher sind Komplexe mit elektronegativeren Liganden oxidierender als solche mit weniger elektronegativen Liganden. Beispielsweise sind die Liganden 2,2'-Bipyridin und 2,2'-Phenylpyridin isoelektronische Strukturen mit der gleichen Anzahl und Anordnung der Elektronen. Phenylpyridin ersetzt eines der Stickstoffatome im Bipyridin durch ein Kohlenstoffatom. Kohlenstoff ist weniger elektronegativ als Stickstoff und bindet daher Elektronen weniger stark. Da der Rest des Ligandenmoleküls identisch ist und Phenylpyridin Elektronen weniger stark bindet als Bipyridin, ist es als Ligand stärker elektronenspendend und weniger elektronegativ. Daher sind Komplexe mit Phenylpyridin-Liganden stärker reduzierend und weniger stark oxidierend als äquivalente Komplexe mit Bipyridin-Liganden.

Ein fluorierter Phenylpyridinligand ist elektronegativer als Phenylpyridin, daher wirken Komplexe mit fluorhaltigen Liganden stärker oxidierend und schwächer reduzierend als äquivalente unsubstituierte Phenylpyridinkomplexe. Der elektronische Einfluss des Metallzentrums auf den Komplex ist komplexer als der Ligandeneffekt. Gemäß der Pauling-Skala der Elektronegativität besitzen Ruthenium und Iridium eine Elektronegativität von 2,2. Wäre dies der alleinige Faktor für Redoxpotentiale, so müssten Ruthenium- und Iridiumkomplexe mit denselben Liganden gleich starke Photoredoxkatalysatoren sein. Betrachtet man jedoch die Rehm-Weller-Gleichung, spielen die spektroskopischen Eigenschaften des Metalls eine Rolle für die Redoxeigenschaften des angeregten Zustands. ^{[ 4 ]} Insbesondere der Parameter E _{_0,0} ist mit der Emissionswellenlänge des Komplexes und somit mit der Größe der Stokes-Verschiebung – der Energiedifferenz zwischen maximaler Absorption und maximaler Emission eines Moleküls – verknüpft. Rutheniumkomplexe weisen typischerweise große Stokes-Verschiebungen und damit im Vergleich zu Iridiumkomplexen niedrige Emissionswellenlängen und geringe Null-Null-Anregungsenergien auf. Während Rutheniumkomplexe im Grundzustand starke Reduktionsmittel sein können, ist der angeregte Zustand des Komplexes ein deutlich schwächeres Reduktions- oder Oxidationsmittel als der entsprechende Iridiumkomplex. Dies macht Iridium für die Entwicklung allgemeiner organischer Transformationen bevorzugt, da die höheren Redoxpotentiale des angeregten Katalysators den Einsatz schwächerer stöchiometrischer Reduktions- und Oxidationsmittel oder weniger reaktiver Substrate ermöglichen. ^{[ 4 ]}

Gegenionenidentität

Häufig werden diese Photokatalysatoren mit einem Gegenion neutralisiert, wie beispielsweise der Komplex Tris-(2,2'-bipyridyl)ruthenium, der von zwei Anionen begleitet wird, um die Gesamtladung des Ionenpaares auf null zu reduzieren. Es gibt jedoch auch Übergangsmetall-Photoredoxkatalysatoren, die ohne Gegenion existieren, wie etwa Tris(2-phenylpyridin)iridium (oft abgekürzt Ir(ppy) _₃ ). Die Bedeutung dieser Gegenionen hängt von der Ionenassoziation zwischen dem Photoredoxkatalysator und seinen Gegenionen sowie vom verwendeten Lösungsmittel ab . Obwohl photophysikalische Eigenschaften wie Redoxpotential, Anregungsenergie und Ligandenelektronegativität oft als Schlüsselparameter für die Anwendung und Reaktivität dieser Komplexe gelten, spielt die Art des Gegenions in unpolaren Lösungsmitteln eine wichtige Rolle . ^{[ 5 ] [ 6 ]} Insbesondere wurde gezeigt, dass ein eng assoziiertes Gegenion die Elektronentransferrate bei der Reduktion eines Substrats erhöht, sie jedoch bei der Oxidation deutlich verringert. Dies wird darauf zurückgeführt, dass das Gegenion den Elektronentransfer in den Photoredoxkomplex quasi „blockiert“, indem es den positiv geladenen Bereich des Komplexes abschirmt. Die enge Assoziation des Gegenions hingegen verschiebt die Elektronendichte weiter vom Metallzentrum des Photoredoxkatalysators weg und erleichtert so den Elektronentransfer vom Katalysator (dies gilt natürlich nur, wenn der Photoredoxkatalysator ein Kation und das Gegenion ein Anion ist ). Die Art des Gegenions ist daher ein zusätzlicher Parameter, der bei der Entwicklung neuer Photoredoxreaktionen berücksichtigt werden muss.

Die ersten Anwendungen der Photoredoxkatalyse zur reduktiven Dehalogenierung waren durch ein enges Substratspektrum oder konkurrierende reduktive Kupplungsreaktionen eingeschränkt. ^{[ 7 ]}

Unactivated carbon-iodine bonds can be reduced using the strongly reducing photocatalyst tris-(2,2’-phenylpyridine)iridium (Ir(ppy)₃).^[8] The increased reduction potential of Ir(ppy)₃ compared to [Ru(bipy)₃]²⁺ allows direct reduction of the carbon-iodine bond without interacting with a stoichiometric reductant. Thus, the iridium complex transfers an electron to the substrate, causing fragmentation of the substrate and oxidizing the catalyst to the Ir(IV) oxidation state. The oxidized photocatalyst is returned to its original oxidation state by oxidising a reaction additives.

Like tin-mediated radical dehalogenation reactions, photocatalytic reductive dehalogenation can be used to initiate cascade cyclizations^[9]

Iminiumionen sind starke Elektrophile, die sich zur Bildung von CC-Bindungen in komplexen Molekülen eignen. Die Kondensation von Aminen mit Carbonylverbindungen zu Iminiumionen ist jedoch oft ungünstig und erfordert mitunter aggressive Dehydratisierungsbedingungen. Daher stellen alternative Methoden zur Erzeugung von Iminiumionen, insbesondere durch Oxidation des entsprechenden Amins, ein wertvolles Synthesewerkzeug dar. Iminiumionen können aus aktivierten Aminen mithilfe von Ir(dtbbpy)(ppy) ₂PF₆ _{als Photoredoxkatalysator} erzeugt werden. ^{[ 10 ]} Diese Umwandlung erfolgt vermutlich durch Oxidation des Amins zum Aminium -Radikalkation durch den angeregten Photokatalysator . Anschließend findet ein Wasserstoffatomtransfer auf ein überstöchiometrisches Oxidationsmittel, wie beispielsweise Trichlormethylradikal (CCl₃ ₎ , statt, wodurch das Iminiumion entsteht. Das Iminiumion wird dann durch Reaktion mit einem Nukleophil abgefangen. Verwandte Umwandlungen von Aminen mit einer Vielzahl anderer Nukleophile wurden untersucht, darunter Cyanid ( Strecker-Reaktion ), Silylenolether ( Mannich-Reaktion ), Dialkylphosphate, Allylsilane (Aza- Sakurai-Reaktion ), Indole ( Friedel-Crafts-Reaktion ) und Kupferacetylide. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Eine ähnliche photoredoxchemische Erzeugung von Iminiumionen wurde außerdem mit rein organischen Photoredoxkatalysatoren wie Rose Bengal und Eosin Y erreicht . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

Eine asymmetrische Variante dieser Reaktion nutzt Acylnukleophil-Äquivalente, die durch N-heterocyclische Carbenkatalyse erzeugt werden. ^{[ 19 ]} Diese Reaktionsmethode umgeht das Problem der geringen Enantioinduktion chiraler Photoredoxkatalysatoren, indem die Quelle der Enantioselektivität auf das N-heterocyclische Carben verlagert wird.

Die Entwicklung orthogonaler Schutzgruppen stellt in der organischen Synthese ein Problem dar, da diese Schutzgruppen die Unterscheidung verschiedener Instanzen einer häufig vorkommenden funktionellen Gruppe, wie beispielsweise der Hydroxylgruppe , während der Synthese komplexer Moleküle ermöglichen. Eine sehr gebräuchliche Schutzgruppe für die Hydroxylgruppe ist der para -Methoxybenzylether (PMB). Diese Schutzgruppe ist chemisch dem weniger elektronenreichen Benzylether ähnlich. Typischerweise erfolgt die selektive Abspaltung eines PMB-Ethers in Gegenwart eines Benzylethers mithilfe starker stöchiometrischer Oxidationsmittel wie 2,3-Dichlor-5,6-dicyano-1,4-benzochinon (DDQ) oder Cerammoniumnitrat (CAN). PMB-Ether sind aufgrund ihres höheren Elektronengehalts deutlich oxidationsanfälliger als Benzylether. Die selektive Entschützung von PMB-Ethern kann durch die Verwendung von Bis-(2-(2',4'-difluorphenyl)-5-trifluormethylpyridin)-(4,4'-di-tert-butylbipyridin)iridium(III)-hexafluorophosphat (Ir[dF(CF₃ ₎ ppy] _₂ (dtbbpy)PF₆ ₎ und einem milden stöchiometrischen Oxidationsmittel wie Bromtrichlormethan (BrCCl₃ ₎ erreicht werden . ^{[ 20 ]} Der photoangeregte Iridiumkatalysator ist ausreichend reduzierend, um das Bromtrichlormethan zu fragmentieren und dabei ein Trichlormethylradikal, ein Bromid-Anion und den Ir(IV)-Komplex zu bilden. Die elektronenarmen fluorierten Liganden bewirken, dass der Iridiumkomplex ausreichend oxidierend wirkt, um ein Elektron von einem elektronenreichen Aren wie einem PMB-Ether aufzunehmen. Nach der Oxidation des Arens reagiert dieses bereitwillig mit dem Trichlormethylradikal unter Wasserstoffatomübertragung zu Chloroform und einem Oxocarbenium -Ion, welches leicht hydrolysiert wird und freies Hydroxid freisetzt. Diese Reaktion erwies sich als orthogonal zu vielen gängigen Schutzgruppen, wenn eine Base zur Neutralisierung des entstehenden HBr zugesetzt wurde.

Cycloadditionen und andere pericyclische Reaktionen sind aufgrund ihres Potenzials zur schnellen Erzeugung komplexer Molekülarchitekturen und insbesondere ihrer Fähigkeit, mehrere benachbarte Stereozentren hochgradig kontrolliert zu etablieren, leistungsstarke Transformationen in der organischen Synthese. Gemäß den Woodward-Hoffmann-Regeln der Orbitalsymmetrie oder anderen äquivalenten Modellen wie der Grenzorbitaltheorie (FMO) oder dem Dewar-Zimmermann-Modell sind jedoch nur bestimmte Cycloadditionen unter thermischen Bedingungen erlaubt. Thermisch nicht erlaubte Cycloadditionen, wie die [2+2]-Cycloaddition, können durch photochemische Aktivierung der Reaktion ermöglicht werden. Unter unkatalysierten Bedingungen erfordert diese Aktivierung die Verwendung von hochenergetischem ultraviolettem Licht , das die Orbitalpopulationen der reaktiven Verbindungen verändern kann. Alternativ wurde berichtet, dass Metallkatalysatoren wie Kobalt und Kupfer thermisch verbotene [2+2]-Cycloadditionen durch Einzelelektronenübertragung katalysieren.

Die erforderliche Änderung der Orbitalbesetzungen kann durch Elektronentransfer mit einem Photokatalysator erreicht werden, der auf niederenergetisches sichtbares Licht reagiert. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Yoon demonstrierte die effizienten intra- und intermolekularen [2+2]-Cycloadditionen aktivierter Olefine , insbesondere von Enonen und Styrolen. Es wurde festgestellt, dass Enone, also elektronenarme Olefine, über einen Radikalanionen-Mechanismus reagieren, wobei Diisopropylethylamin als kurzzeitige Elektronenquelle dient. Für diesen Elektronentransfer erwies sich [Ru(bipy) ₃ ] ²⁺ als effizienter Photokatalysator. Der anionische Charakter der Cyclisierung war entscheidend: Die Durchführung der Reaktion in saurem Medium anstelle eines Lithium-Gegenions begünstigte einen nicht-cycloadditionalen Reaktionsweg. ^{[ 26 ]} Zhao et al. entdeckten ebenfalls, dass Chalkonen mit einem Samarium -Gegenion ein weiterer Cyclisierungsweg zur Verfügung steht . ^{[ 27 ]} Im Gegensatz dazu reagierten elektronenreiche Styrole über einen Radikalkationenmechanismus, wobei Methylviologen oder molekularer Sauerstoff als vorübergehende Elektronenakzeptoren dienten. Während sich [Ru(bipy) _₃ ] ^²⁺ als fähiger Katalysator für intramolekulare Cyclisierungen mit Methylviologen erwies , konnte er weder mit molekularem Sauerstoff als Elektronenakzeptor noch für intermolekulare Cyclisierungen eingesetzt werden. Für intermolekulare Cyclisierungen entdeckten Yoon et al., dass der stärker oxidierende Photokatalysator [Ru(bpm) _₃ ] ^²⁺ in Kombination mit molekularem Sauerstoff ein katalytisches System darstellte, das besser geeignet war, das für die Cycloaddition notwendige Radikalkation zu erzeugen. [Ru(bpz) _₃ ] ^²⁺ , ein noch stärker oxidierender Photokatalysator, erwies sich als problematisch, da er zwar die gewünschte [2+2]-Cycloaddition katalysieren konnte, aber auch stark genug war, das Cycloaddukt zu oxidieren und die Retro-[2+2]-Reaktion zu katalysieren. Dieser Vergleich der Photokatalysatoren unterstreicht die Bedeutung der Anpassung der Redoxeigenschaften eines Photokatalysators an das jeweilige Reaktionssystem und verdeutlicht den Wert von Polypyridylverbindungen als Liganden, da diese leicht modifiziert werden können, um die Redoxeigenschaften ihrer Komplexe anzupassen.

Photoredoxkatalysierte [2+2]-Cycloadditionen können auch mit einem organischen Photoredoxkatalysator vom Triphenylpyrylium-Typ durchgeführt werden. ^{[ 28 ]}

Neben der thermisch verbotenen [2+2]-Cycloaddition kann die Photoredoxkatalyse auch auf die [4+2]-Cyclisierung ( Diels-Alder-Reaktion ) angewendet werden. Bis-Enonen, ähnlich den Substraten der Photoredox-[2+2]-Cyclisierung, jedoch mit einem längeren Linker zwischen den beiden Enon-Funktionsgruppen, unterliegen intramolekularen Radikalanion-Hetero-Diels-Alder-Reaktionen deutlich schneller als der [2+2]-Cycloaddition. ^{[ 29 ]}

Ähnlich verhält es sich mit elektronenreichen Styrolen, die über einen Radikalkationenmechanismus intra- oder intermolekulare Diels-Alder-Cyclisierungen eingehen. ^{[ 30 ] [ 31 ]} [Ru(bipy) ₃ ] ²⁺ erwies sich als geeigneter Katalysator für intermolekulare, nicht aber für intramolekulare Diels-Alder-Cyclisierungen. Diese photoredoxkatalysierte Diels-Alder-Reaktion ermöglicht die Cycloaddition zweier elektronisch nicht passender Substrate. Im Normalfall erfordert die Diels-Alder-Reaktion die Reaktion eines elektronenreichen Diens mit einem elektronenarmen Olefin (oder „Dienophil“), während die umgekehrte Diels-Alder-Reaktion zwischen einem elektronenarmen Dien und einem sehr elektronenreichen Dienophil stattfindet. Da die Photoredoxreaktion über einen anderen Mechanismus als die thermische Diels-Alder-Reaktion abläuft, ermöglicht sie die Cycloaddition zwischen einem elektronenreichen Dien und einem elektronenreichen Dienophil und damit den Zugang zu neuen Klassen von Diels-Alder-Addukten.

Der synthetische Wert der von Yoon entwickelten photoredoxkatalysierten Styrol-Diels-Alder-Reaktion wurde durch die Totalsynthese des Naturstoffs Heitziamid A demonstriert. ^{[ 30 ]} Diese Synthese zeigt, dass die thermische Diels-Alder-Reaktion das unerwünschte Regioisomer begünstigt, die photoredoxkatalysierte Reaktion jedoch das gewünschte Regioisomer in verbesserter Ausbeute liefert.

Die Organokatalyse ist ein Teilgebiet der Katalyse, das das Potenzial organischer Kleinmoleküle als Katalysatoren erforscht, insbesondere für die enantioselektive Synthese chiraler Moleküle. Eine Strategie in diesem Bereich ist die Aktivierung von Carbonylverbindungen durch chirale sekundäre Amine. Dabei entsteht durch Kondensation des Amins mit der Carbonylverbindung ein nukleophiles Enamin . Das chirale Amin ist so konzipiert, dass eine Seite des Enamins sterisch abgeschirmt ist und nur die ungeschützte Seite reaktionsfähig ist. Trotz der Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes zur enantioselektiven Funktionalisierung von Carbonylverbindungen blieben bestimmte wertvolle Transformationen, wie die katalytische enantioselektive α-Alkylierung von Aldehyden , bisher ungelöst. Die Kombination von Organokatalyse und Photoredoxmethoden bietet eine katalytische Lösung für dieses Problem. ^{[ 32 ]} Bei diesem Ansatz zur α-Alkylierung von Aldehyden fragmentiert [Ru(bipy) ₃ ] ²⁺ reduktiv ein aktiviertes Alkylhalogenid, wie Brommalonat oder Phenacylbromid , welches dann enantioselektiv an katalytisch erzeugtes Enamin addiert werden kann. Der oxidierte Photokatalysator quencht anschließend das entstehende α-Aminoradikal oxidativ, wodurch ein Iminium-Ion gebildet wird, das hydrolysiert und die funktionalisierte Carbonylverbindung ergibt. Diese Photoredox-Transformation unterscheidet sich mechanistisch von einem anderen organokatalytischen Radikalprozess, der als SOMO-Katalyse (Singlely Occupied Molecular Orbital) bezeichnet wird. Bei der SOMO-Katalyse wird überstöchiometrisches Cerammoniumnitrat (CAN) verwendet, um das katalytisch erzeugte Enamin zum entsprechenden Radikalkation zu oxidieren, welches dann an einen geeigneten Kupplungspartner, wie beispielsweise Allylsilan, addieren kann. Dieser Mechanismus ist für die photokatalytische Alkylierungsreaktion ausgeschlossen, da zwar bei der SOMO-Katalyse eine Cyclisierung des Enamin-Radikalkations an anhängende Olefine beobachtet wurde und Cyclopropan-Radikal-Uhren geöffnet wurden, diese Strukturen jedoch bei der Photoredoxreaktion unreaktiv waren.

Diese Transformation umfasst Alkylierungen mit anderen Klassen aktivierter Alkylhalogenide von synthetischem Interesse. Insbesondere ermöglicht die Verwendung des Photokatalysators Ir(dtbbpy)(ppy) _{₂⁺ die enantioselektive α-Trifluormethylierung von Aldehyden} ^, während die Verwendung von Ir(ppy) _₃ die enantioselektive Kupplung von Aldehyden mit elektronenarmen Benzylbromiden ermöglicht. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Zeitler et al. untersuchten zudem die produktive Kombination von photoredox- und organokatalytischen Methoden zur enantioselektiven Alkylierung von Aldehyden. ^{[ 35 ]} Derselbe chirale Imidazolidinon-Organokatalysator wurde zur Enaminbildung und Einführung von Chiralität verwendet. Anstelle eines Ruthenium- oder Iridiumkomplexes kam jedoch der organische Photoredoxkatalysator Eosin Y zum Einsatz.

Die direkte β-Arylierung gesättigter Aldehyde und Ketone kann durch die Kombination von photoredox- und organokatalytischen Methoden erfolgen. ^{[ 36 ]} Die bisherige Methode zur direkten β-Funktionalisierung einer gesättigten Carbonylverbindung ist ein Eintopfverfahren mit zwei Schritten, die beide durch einen sekundären Amin-Organokatalysator katalysiert werden: die stöchiometrische Reduktion eines Aldehyds mit IBX, gefolgt von der Addition eines aktivierten Alkylnukleophils an die β-Position des resultierenden Enals . ^{[ 37 ]} Diese Transformation, die wie andere photoredox-Prozesse über einen radikalischen Mechanismus verläuft, ist auf die Addition hoch elektrophiler Arene an die β-Position beschränkt. Die starken Einschränkungen hinsichtlich der Aren-Komponenten in dieser Reaktion beruhen hauptsächlich auf der Notwendigkeit eines Aren-Radikalanions, das stabil genug ist, um nicht direkt mit Enamin oder Enamin-Radikalkation zu reagieren. Im vorgeschlagenen Mechanismus wird der aktivierte Photoredoxkatalysator durch ein elektronenarmes Aren, wie beispielsweise 1,4-Dicyanbenzol , oxidativ gelöscht . Der Photokatalysator oxidiert anschließend eine Enamin-Spezies, die transient durch die Kondensation eines Aldehyds mit einem sekundären Amin-Cokatalysator, wie beispielsweise dem optimalen Isopropylbenzylamin, gebildet wird. Das resultierende Enamin-Radikalkation reagiert üblicherweise als 3-π-Elektronen-System. Aufgrund der Stabilität der Radikal-Kopplungspartner führt die Deprotonierung der β-Methylenposition jedoch zu einem 5-π-Elektronen-System mit starkem Radikalcharakter am neu entstandenen β-Kohlenstoffatom. Obwohl diese Reaktion auf der Verwendung eines sekundären Amin-Organokatalysators zur Erzeugung der im vorgeschlagenen Mechanismus oxidierten Enamin-Spezies beruht, existiert keine enantioselektive Variante dieser Reaktion.

Die Entwicklung dieser direkten β-Arylierung von Aldehyden führte zu verwandten Reaktionen zur β-Funktionalisierung cyclischer Ketone. Insbesondere wurde die β-Arylierung cyclischer Ketone unter ähnlichen Reaktionsbedingungen, jedoch unter Verwendung von Azepan als sekundärem Amin-Cokatalysator, erreicht. Eine photokatalytische Homo-Aldol-Reaktion eignet sich für cyclische Ketone und ermöglicht die Verknüpfung der β-Position des Ketons mit dem ipso-Kohlenstoffatom von Arylketonen wie Benzophenon und Acetophenon . ^{[ 38 ]} Neben dem Azepan-Cokatalysator erfordert diese Reaktion den Einsatz des stärker reduzierenden Photoredoxkatalysators Ir(ppy) _₃ sowie die Zugabe von Lithiumhexafluoroarsenid (LiAsF₆ ₎ zur Förderung der Einelektronenreduktion des Arylketons.

Die Nutzung der Photoredoxkatalyse zur Erzeugung reaktiver, heteroatomzentrierter Radikale wurde erstmals in den 1990er Jahren untersucht. ^{[ 39 ]} Es wurde festgestellt, dass [Ru(bipy) _₃ ] ^²⁺ die Fragmentierung von Tosylphenylselenid zu Phenylselenolat-Anion und Tosylradikal katalysiert und dass ein radikalischer Kettenreaktionsmechanismus die Addition von Tosylradikal und Phenylselenolat-Radikal an die Doppelbindung elektronenreicher Alkylvinylether ermöglicht. Da das Phenylselenolat-Anion leicht zu Diphenyldiselenid oxidiert wird, wurde die geringe Menge an beobachtetem Diphenyldiselenid als Hinweis darauf gewertet, dass die photoredoxkatalysierte Fragmentierung von Tosylphenylselenid lediglich als Initiierungsschritt von Bedeutung ist und der größte Teil der Reaktivität auf einem radikalischen Kettenreaktionsprozess beruht.

Heteroaromatische Additionen an Olefine umfassen Mehrkomponenten-Oxy- und Aminotrifluormethylierungsreaktionen. ^{[ 40 ] [ 41 ]} Diese Reaktionen nutzen Umemotos Reagenz, ein Sulfoniumsalz, das als elektrophile Quelle der Trifluormethylgruppe dient und bekanntermaßen über einen Einelektronen-Transfermechanismus reagiert. Die Einelektronenreduktion von Umemotos Reagenz setzt ein Trifluormethylradikal frei, das an das reaktive Olefin addiert. Die anschließende Einelektronenoxidation des durch diese Addition erzeugten Alkylradikals führt zu einem Kation, das mit Wasser, einem Alkohol oder einem Nitril abgefangen werden kann. Um eine hohe Regioselektivität zu erzielen, wurde diese Reaktivität hauptsächlich an Styrolen untersucht, die bevorzugt das benzylische Radikal-Zwischenprodukt bilden.

Die Hydrotrifluormethylierung von Styrolen und aliphatischen Alkenen kann mit einem Mesitylacridinium-basierten organischen Photoredoxkatalysator und Langlois' Reagenz als Quelle für das CF₃-Radikal durchgeführt werden _. [ ^{42 ] Bei} dieser Reaktion erwies sich Trifluorethanol in Kombination mit substöchiometrischen Mengen eines aromatischen Thiols, wie beispielsweise Methylthiosalicylat, als beste Quelle für das Wasserstoffradikal zur Vervollständigung des katalytischen Zyklus.

Intramolekulare Hydroetherifizierungen und Hydroaminierungen verlaufen mit anti-Markovnikov-Selektivität. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Ein Mechanismus beruht auf der Einelektronenoxidation des Olefins, dem Abfangen des Radikalkations durch eine freie Hydroxyl- oder Aminogruppe und der Quenchung des resultierenden Alkylradikals durch H-Atom-Transfer von einer hochlabilen Donorspezies. Die Übertragung dieser Reaktivität auf intermolekulare Systeme führte zu i) einem neuen Syntheseweg für komplexe Tetrahydrofurane mittels einer „Polar-Radikal-Crossover-Cycloaddition“ (PRCC-Reaktion) eines Allylalkohols mit einem Olefin und ii) der anti-Markovnikov-Addition von Carbonsäuren an Olefine. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

Die Sulfoximidierung von elektronenreichen Arenen wird durch Photoredoxkatalyse ermöglicht. ^{[ 47 ]}

• Photosensibilisator