Catálisis fotorredox

La teoría de Marcus sobre la transferencia de electrones en la esfera externa predice que dicho proceso de tunelización ocurrirá más rápidamente en sistemas donde la transferencia de electrones sea termodinámicamente favorable (es decir, entre reductores y oxidantes fuertes) y donde la transferencia de electrones tenga una barrera intrínseca baja.

La barrera intrínseca de transferencia electrónica se deriva del principio de Franck-Condon , que establece que la transición electrónica se produce más rápidamente cuanto mayor es la superposición entre los estados electrónicos inicial y final. Interpretado de forma general, este principio sugiere que la barrera de una transición electrónica está relacionada con el grado de reorganización del sistema. En el caso de una transición electrónica, la barrera se relaciona con la superposición entre las funciones de onda inicial y final del electrón excitado, es decir, con el grado de desplazamiento del electrón durante la transición.

En una transferencia electrónica intermolecular, un papel similar lo desempeña el grado en que los núcleos tienden a moverse en respuesta al cambio en su nuevo entorno electrónico. Inmediatamente después de la transferencia electrónica, la disposición nuclear de la molécula, previamente en equilibrio, ahora representa un estado vibracionalmente excitado y debe relajarse a su nueva geometría de equilibrio. Los sistemas rígidos, cuya geometría no depende en gran medida del estado de oxidación , experimentan, por lo tanto, menor excitación vibracional durante la transferencia electrónica y tienen una barrera intrínseca más baja. Los fotocatalizadores como [Ru(bipy) _₃ ] ^²⁺ se mantienen en una disposición rígida mediante ligandos bidentados planos dispuestos en una geometría octaédrica alrededor del centro metálico. Por lo tanto, el complejo no sufre mucha reorganización durante la transferencia electrónica. Dado que la transferencia electrónica de estos complejos es rápida, es probable que tenga lugar dentro de la duración del estado activo del catalizador, es decir, durante la vida útil del estado excitado triplete.

Para regenerar el estado fundamental, el catalizador debe participar en una segunda transferencia de electrones de esfera externa. En muchos casos, esta transferencia de electrones se produce con un reductor u oxidante estequiométrico de dos electrones, aunque en algunos casos este paso implica un segundo reactivo .

Dado que la transferencia de electrones en el ciclo catalítico se produce desde el estado excitado triplete, compite con la fosforescencia como vía de relajación. Los experimentos de Stern-Volmer miden la intensidad de la fosforescencia al variar la concentración de cada agente extintor. Al variar la concentración del agente extintor, se ven afectados la velocidad de transferencia de electrones y el grado de fosforescencia. Esta relación se modela mediante la siguiente ecuación:

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

Aquí, I y _I₀ representan la intensidad de emisión con y sin agente extintor, kq _la constante de velocidad del proceso de extinción, τ₀ _el tiempo de vida del estado excitado en ausencia de agente extintor y [Q] la concentración de agente extintor. Por lo tanto, si se conoce el tiempo de vida del estado excitado del fotocatalizador redox a partir de otros experimentos, la constante de velocidad de extinción en presencia de un único componente de reacción puede determinarse midiendo el cambio en la intensidad de emisión al variar la concentración del agente extintor.

Los potenciales redox de los fotocatalizadores redox deben coincidir con los de los demás componentes de la reacción. Si bien los potenciales redox del estado fundamental se miden fácilmente mediante voltametría cíclica u otros métodos electroquímicos, la medición del potencial redox de un estado excitado electrónicamente no puede realizarse directamente con estos métodos. ^{[ 2 ]} Sin embargo, existen dos métodos que permiten estimar los potenciales redox del estado excitado y un método para la medición directa de estos potenciales. Para estimar los potenciales redox del estado excitado, un método consiste en comparar las velocidades de transferencia de electrones desde el estado excitado a una serie de reactivos en estado fundamental cuyos potenciales redox se conocen. Un método más común para estimar estos potenciales es utilizar una ecuación desarrollada por Rehm y Weller que describe los potenciales del estado excitado como una corrección de los potenciales del estado fundamental:

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

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

En estas fórmulas, E* _1/2 representa el potencial de reducción u oxidación del estado excitado, E _1/2 representa el potencial de reducción u oxidación del estado fundamental, E _0,0 representa la diferencia de energía entre los estados vibracionales cero del estado fundamental y los estados excitados, y w _r representa la función de trabajo , una interacción electrostática que surge debido a la separación de cargas que ocurre durante la transferencia de electrones entre dos especies químicas . La energía de excitación cero-cero, E _0,0 , se suele aproximar mediante la transición correspondiente en el espectro de fluorescencia. Este método permite calcular potenciales redox aproximados del estado excitado a partir de potenciales redox del estado fundamental y datos espectroscópicos, que son más fáciles de medir.

La medición directa de los potenciales redox del estado excitado es posible mediante un método conocido como voltametría modulada en fase . Este método consiste en iluminar una celda electroquímica para generar la especie excitada deseada, modulando la intensidad de la luz sinusoidalmente , de modo que la concentración de dicha especie no sea constante. De hecho, la concentración de la especie excitada en la celda debe variar exactamente en fase con la intensidad de la luz incidente. Si el potencial aplicado a la celda es lo suficientemente fuerte como para que se produzca la transferencia de electrones, el cambio en la concentración del estado excitado redox-activo puede medirse como una corriente alterna (CA). Además, el desfase de la corriente alterna con respecto a la intensidad de la luz incidente corresponde a la vida media de la especie excitada antes de que se produzca la transferencia de electrones.

Se encuentran disponibles gráficos de potenciales redox para los fotocatalizadores redox más comunes para un acceso rápido. ^{[ 3 ]}

La naturaleza reductora y oxidante relativa de estos fotocatalizadores puede entenderse considerando la electronegatividad de los ligandos y el centro metálico del complejo catalítico. Los metales y ligandos más electronegativos pueden estabilizar mejor los electrones que sus contrapartes menos electronegativas. Por lo tanto, los complejos con ligandos más electronegativos son más oxidantes que los complejos con ligandos menos electronegativos. Por ejemplo, los ligandos 2,2'-bipiridina y 2,2'-fenilpiridina son estructuras isoelectrónicas, que contienen el mismo número y disposición de electrones. La fenilpiridina reemplaza uno de los átomos de nitrógeno de la bipiridina por un átomo de carbono. El carbono es menos electronegativo que el nitrógeno, por lo que retiene los electrones con menos fuerza. Dado que el resto de la molécula del ligando es idéntico y la fenilpiridina retiene los electrones con menos fuerza que la bipiridina, es un ligando más donador de electrones y menos electronegativo. Por lo tanto, los complejos con ligandos de fenilpiridina son más fuertemente reductores y menos fuertemente oxidantes que los complejos equivalentes con ligandos de bipiridina.

De manera similar, un ligando de fenilpiridina fluorada es más electronegativo que la fenilpiridina, por lo que los complejos con ligandos que contienen flúor son más fuertemente oxidantes y menos fuertemente reductores que los complejos de fenilpiridina no sustituidos equivalentes. La influencia electrónica del centro metálico sobre el complejo es más compleja que el efecto del ligando. Según la escala de electronegatividad de Pauling , tanto el rutenio como el iridio tienen una electronegatividad de 2,2. Si este fuera el único factor relevante para los potenciales redox, entonces los complejos de rutenio e iridio con los mismos ligandos deberían ser catalizadores fotorredox igualmente potentes. Sin embargo, considerando la ecuación de Rehm-Weller, las propiedades espectroscópicas del metal juegan un papel en la determinación de las propiedades redox del estado excitado. ^{[ 4 ]} En particular, el parámetro E _0,0 está relacionado con la longitud de onda de emisión del complejo y, por lo tanto, con el tamaño del desplazamiento de Stokes, la diferencia de energía entre la absorción máxima y la emisión de una molécula. Por lo general, los complejos de rutenio presentan grandes desplazamientos de Stokes y, por consiguiente, longitudes de onda de emisión de baja energía y pequeñas energías de excitación cero-cero en comparación con los complejos de iridio. En efecto, si bien los complejos de rutenio en estado fundamental pueden ser potentes reductores, el complejo en estado excitado es un reductor u oxidante mucho menos potente que su complejo de iridio equivalente. Esto hace que el iridio sea el material preferido para el desarrollo de transformaciones orgánicas generales, ya que los potenciales redox más fuertes del catalizador excitado permiten el uso de reductores y oxidantes estequiométricos más débiles o el uso de sustratos menos reactivos. ^{[ 4 ]}

Identidad del contraión

A menudo, estos fotocatalizadores se equilibran con un contraión, como en el caso del complejo tris-(2,2'-bipiridilo)rutenio, que se acompaña de dos aniones para equilibrar la carga total del par iónico a cero. Sin embargo, existen fotocatalizadores redox de metales de transición que no contienen contraión, como el tris(2-fenilpiridina)iridio (a menudo abreviado Ir(ppy) _₃ ). La importancia de estos contraiones depende de la asociación iónica entre el fotocatalizador redox y su(s) contraión(es), así como del disolvente utilizado para la reacción. Si bien las propiedades fotofísicas, como el potencial redox, la energía de excitación y la electronegatividad del ligando, se han considerado parámetros clave para el uso y la reactividad de estos complejos, se ha demostrado que la identidad del contraión desempeña un papel importante en disolventes de baja polaridad . ^{[ 5 ] [ 6 ]} En particular, se ha demostrado que tener un contraión fuertemente asociado aumenta la velocidad de transferencia de electrones al reducir un sustrato, pero reduce significativamente la velocidad de transferencia de electrones al oxidar un sustrato. Se cree que esto ocurre porque el contraión esencialmente "bloquea" la transferencia de electrones hacia el complejo fotorredox al proteger la región más cargada positivamente del complejo; mientras que tener una fuerte asociación del contraión empuja la densidad electrónica más lejos del centro metálico del catalizador fotorredox, haciendo que sea más fácil transferirse desde el catalizador (por supuesto, esto solo se aplica cuando el catalizador fotorredox es un catión y el contraión es un anión ). Por lo tanto, la identidad del contraión es un parámetro adicional a considerar al desarrollar nuevas reacciones fotorredox.

Las primeras aplicaciones de la fotocatálisis redox a la deshalogenación reductiva se vieron limitadas por un alcance de sustrato estrecho o por el acoplamiento reductivo competitivo. ^{[ 7 ]}

Los enlaces carbono-yodo no activados pueden reducirse utilizando el fotocatalizador fuertemente reductor tris-(2,2'- fenilpiridina )iridio (Ir(ppy) _₃ ). ^{[ 8 ]} El mayor potencial de reducción de Ir(ppy) _₃ en comparación con [Ru(bipy) _₃ ] ^²⁺ permite la reducción directa del enlace carbono-yodo sin interactuar con un reductor estequiométrico. De este modo, el complejo de iridio transfiere un electrón al sustrato, provocando la fragmentación del sustrato y la oxidación del catalizador al estado de oxidación Ir(IV). El fotocatalizador oxidado vuelve a su estado de oxidación original mediante la oxidación de aditivos de reacción.

Al igual que las reacciones de deshalogenación radical mediadas por estaño, la deshalogenación reductiva fotocatalítica puede utilizarse para iniciar ciclizaciones en cascada ^{[ 9 ].}

Los iones iminio son electrófilos potentes útiles para generar enlaces C-C en moléculas complejas. Sin embargo, la condensación de aminas con compuestos carbonílicos para formar iones iminio suele ser desfavorable, requiriendo a veces condiciones de deshidratación severas. Por lo tanto, los métodos alternativos para la generación de iones iminio, particularmente mediante la oxidación de la amina correspondiente, son una valiosa herramienta de síntesis. Los iones iminio pueden generarse a partir de aminas activadas utilizando Ir(dtbbpy)(ppy) _{₂PF₆ como} fotocatalizador redox. ^{[ 10 ]} Se propone que esta transformación ocurre por oxidación de la amina al catión radical aminio por el fotocatalizador excitado. Esto es seguido por la transferencia de un átomo de hidrógeno a un oxidante superestequiométrico, como el radical triclorometilo (CCl₃ ₎ para formar el ion iminio. El ion iminio es luego desactivado por reacción con un nucleófilo. Se han investigado transformaciones relacionadas de aminas con una amplia variedad de otros nucleófilos , como cianuro ( reacción de Strecker ), éteres de silil enol ( reacción de Mannich ), dialquilfosfatos, alilsilanos ( reacción de aza-Sakurai ), indoles ( reacción de Friedel-Crafts ) y acetiluros de cobre. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Además, se ha logrado una generación fotorredox similar de iones iminio utilizando catalizadores fotorredox puramente orgánicos, como Rosa de Bengala y Eosina Y. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

Una variante asimétrica de esta reacción utiliza equivalentes de nucleófilos acilo generados por catálisis con carbenos N-heterocíclicos . ^{[ 19 ]} Este método de reacción evita el problema de la baja enantioinducción de los fotocatalizadores redox quirales al trasladar la fuente de enantioselectividad al carbeno N-heterocíclico.

El desarrollo de grupos protectores ortogonales es un problema en la síntesis orgánica porque estos grupos protectores permiten distinguir cada instancia de un grupo funcional común, como el grupo hidroxilo , durante la síntesis de una molécula compleja. Un grupo protector muy común para el grupo funcional hidroxilo es el éter para -metoxibencílico (PMB). Este grupo protector es químicamente similar al éter bencílico, menos rico en electrones. Típicamente, la escisión selectiva de un éter PMB en presencia de un éter bencílico utiliza oxidantes estequiométricos fuertes como la 2,3-dicloro-5,6-diciano-1,4-benzoquinona (DDQ) o el nitrato de amonio cérico (CAN). Los éteres PMB son mucho más susceptibles a la oxidación que los éteres bencílicos debido a su mayor densidad electrónica. La desprotección selectiva de éteres PMB se puede lograr mediante el uso de hexafluorofosfato de bis-(2-(2',4'-difluorofenil)-5-trifluorometilpiridina)-(4,4'-ditertbutilbipiridina)iridio(III) (Ir[dF(CF ₃ )ppy] ₂ (dtbbpy)PF ₆ ) y un oxidante estequiométrico suave como el bromotriclorometano, BrCCl ₃ . ^{[ 20 ]} El catalizador de iridio fotoexcitado es suficientemente reductor como para fragmentar el bromotriclorometano para formar un radical triclorometilo, un anión bromuro y el complejo de Ir(IV). Los ligandos fluorados deficientes en electrones hacen que el complejo de iridio sea suficientemente oxidante como para aceptar un electrón de un areno rico en electrones como un éter PMB. Tras la oxidación del areno, este participa fácilmente en la transferencia de un átomo de hidrógeno con el radical triclorometilo para formar cloroformo y un ion oxocarbenio , que se hidroliza fácilmente para liberar el hidróxido. Se demostró que esta reacción es ortogonal a muchos grupos protectores comunes cuando se añade una base para neutralizar el HBr producido.

Las cicloadiciones y otras reacciones pericíclicas son transformaciones poderosas en la síntesis orgánica debido a su potencial para generar rápidamente arquitecturas moleculares complejas y, en particular, por su capacidad para establecer múltiples estereocentros adyacentes de manera altamente controlada. Sin embargo, solo ciertas cicloadiciones están permitidas en condiciones térmicas según las reglas de simetría orbital de Woodward-Hoffmann u otros modelos equivalentes como la teoría de orbitales moleculares frontera (FMO) o el modelo de Dewar-Zimmermann. Las cicloadiciones que no están permitidas térmicamente, como la cicloadición [2+2], pueden activarse mediante la activación fotoquímica de la reacción. En condiciones no catalizadas, esta activación requiere el uso de luz ultravioleta de alta energía capaz de alterar las poblaciones orbitales de los compuestos reactivos. Alternativamente, se ha informado que catalizadores metálicos como el cobalto y el cobre catalizan cicloadiciones [2+2] prohibidas térmicamente mediante transferencia de un solo electrón.

El cambio requerido en las poblaciones orbitales puede lograrse mediante transferencia de electrones con un fotocatalizador sensible a la luz visible de menor energía. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Yoon demostró las cicloadiciones [2+2] intra- e intermoleculares eficientes de olefinas activadas : particularmente enonas y estirenos. Se descubrió que las enonas, u olefinas deficientes en electrones, reaccionan a través de una vía radical-anión, utilizando diisopropiletilamina como fuente transitoria de electrones. Para esta transferencia de electrones, se descubrió que [Ru(bipy) ₃ ] ²⁺ es un fotocatalizador eficiente. La naturaleza aniónica de la ciclación resultó ser crucial: realizar la reacción en ácido en lugar de con un contraión de litio favoreció una vía no cicloadición. ^{[ 26 ]} Zhao et al. también descubrieron que existe una vía de ciclación aún diferente disponible para las chalconas con un contraión de samario . ^{[ 27 ]} Por el contrario, se encontró que los estirenos ricos en electrones reaccionan a través de un mecanismo de radical catión, utilizando metil viógeno u oxígeno molecular como un aceptor de electrones transitorio. Si bien [Ru(bipy) ₃ ] ²⁺ demostró ser un catalizador competente para ciclizaciones intramoleculares usando metil viógeno , no pudo usarse con oxígeno molecular como aceptor de electrones o para ciclizaciones intermoleculares. Para las ciclizaciones intermoleculares, Yoon et al. descubrieron que el fotocatalizador más fuertemente oxidante [Ru(bpm) ₃ ] ²⁺ y el oxígeno molecular proporcionaron un sistema catalítico más adecuado para acceder al radical catión necesario para que ocurra la cicloadición. El [Ru(bpz) ₃ ] ²⁺ , un fotocatalizador aún más oxidante, resultó problemático porque, si bien podía catalizar la cicloadición [2+2] deseada, también era lo suficientemente fuerte como para oxidar el cicloaducto y catalizar la reacción retro-[2+2]. Esta comparación de fotocatalizadores resalta la importancia de ajustar las propiedades redox de un fotocatalizador al sistema de reacción, además de demostrar el valor de los compuestos polipiridílicos como ligandos, debido a la facilidad con la que pueden modificarse para ajustar las propiedades redox de sus complejos.

Las cicloadiciones [2+2] catalizadas por fotorreducción también pueden llevarse a cabo con un fotocatalizador orgánico de trifenilpirilio. ^{[ 28 ]}

Además de la cicloadición [2+2] prohibida térmicamente, la fotocatálisis redox puede aplicarse a la ciclación [4+2] ( reacción de Diels-Alder ). Las bis-enonas, similares a los sustratos utilizados para la ciclación [2+2] fotoredox, pero con un enlace más largo que une los dos grupos funcionales enona, experimentan reacciones hetero-Diels-Alder radical-anión intramoleculares más rápidamente que la cicloadición [2+2]. ^{[ 29 ]}

De manera similar, los estirenos ricos en electrones participan en ciclizaciones de Diels-Alder intra- o intermoleculares a través de un mecanismo de catión radical. ^{[ 30 ] [ 31 ]} [Ru(bipy) ₃ ] ²⁺ fue un catalizador competente para ciclizaciones de Diels-Alder intermoleculares, pero no intramoleculares. Esta reacción de Diels-Alder fotocatalizada redox permite la cicloadición entre dos sustratos electrónicamente incompatibles. La demanda electrónica normal para la reacción de Diels-Alder requiere que un dieno rico en electrones reaccione con una olefina pobre en electrones (o "dienófilo"), mientras que la reacción de Diels-Alder de demanda electrónica inversa tiene lugar entre el caso opuesto de un dieno pobre en electrones y un dienófilo muy rico en electrones. El caso de la fotorreducción, al tener lugar mediante un mecanismo diferente al de la reacción térmica de Diels-Alder, permite la cicloadición entre un dieno rico en electrones y un dienófilo rico en electrones, lo que posibilita el acceso a nuevas clases de aductos de Diels-Alder.

El valor sintético de la reacción de Diels-Alder de estireno catalizada por fotorreducción de Yoon se demostró mediante la síntesis total del producto natural Heitziamida A. ^{[ 30 ]} Esta síntesis demuestra que la reacción térmica de Diels-Alder favorece el regioisómero no deseado, pero la reacción catalizada por fotorreducción proporciona el regioisómero deseado con un rendimiento mejorado.

La organocatálisis es un subcampo de la catálisis que explora el potencial de las moléculas orgánicas pequeñas como catalizadores, en particular para la creación enantioselectiva de moléculas quirales. Una estrategia en este subcampo es el uso de aminas secundarias quirales para activar compuestos carbonílicos. En este caso, la condensación de la amina con el compuesto carbonílico genera una enamina nucleofílica . La amina quiral se diseña de manera que una cara de la enamina esté estéricamente protegida y que solo la cara no protegida pueda reaccionar. A pesar del poder de este enfoque para catalizar la funcionalización enantioselectiva de compuestos carbonílicos, ciertas transformaciones valiosas, como la α-alquilación catalítica enantioselectiva de aldehídos , seguían siendo difíciles de lograr. La combinación de organocatálisis y métodos fotorredox proporciona una solución catalítica a este problema. ^{[ 32 ]} En este enfoque para la α-alquilación de aldehídos, [Ru(bipy) ₃ ] ²⁺ fragmenta reductivamente un haluro de alquilo activado, como el bromomalonato o el bromuro de fenacilo , que luego puede adicionarse a la enamina generada catalíticamente de manera enantioselectiva. El fotocatalizador oxidado desactiva oxidativamente el radical α-amino resultante para formar un ion iminio, que se hidroliza para dar el compuesto carbonílico funcionalizado. Se demostró que esta transformación fotorredox es mecanísticamente distinta de otro proceso radical organocatalítico denominado catálisis de orbital molecular de ocupación simple (SOMO). La catálisis SOMO emplea nitrato de amonio cérico superestequiométrico (CAN) para oxidar la enamina generada catalíticamente al catión radical correspondiente, que luego puede adicionarse a un socio de acoplamiento adecuado como el alilsilano. Este tipo de mecanismo queda excluido para la reacción de alquilación fotocatalítica porque, si bien se observó que el catión radical de enamina ciclaba sobre olefinas colgantes y relojes radicales de ciclopropano abiertos en la catálisis SOMO, estas estructuras no eran reactivas en la reacción fotoredox.

Esta transformación incluye alquilaciones con otras clases de haluros de alquilo activados de interés sintético. En particular, el uso del fotocatalizador Ir(dtbbpy)(ppy) ₂ ⁺ permite la α-trifluorometilación enantioselectiva de aldehídos mientras que el uso de Ir(ppy) ₃ permitió el acoplamiento enantioselectivo de aldehídos con bromuros bencílicos deficientes en electrones. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Zeitler et al. también investigaron la fusión productiva de métodos fotoredox y organocatalíticos para lograr la alquilación enantioselectiva de aldehídos. ^{[ 35 ]} Se utilizó el mismo organocatalizador quiral de imidazolidinona para formar enamina e introducir quiralidad. Sin embargo, se utilizó el fotocatalizador orgánico redox Eosina Y en lugar de un complejo de rutenio o iridio.

La β-arilación directa de aldehídos y cetonas saturados puede efectuarse mediante la combinación de métodos fotoredox y organocatalíticos. ^{[ 36 ]} El método anterior para lograr la β-funcionalización directa de un carbonilo saturado consiste en un proceso de dos pasos en un solo recipiente, ambos catalizados por un organocatalizador de amina secundaria: reducción estequiométrica de un aldehído con IBX seguida de la adición de un nucleófilo de alquilo activado a la posición beta del enal resultante . ^{[ 37 ]} Esta transformación, que como otros procesos fotoredox tiene lugar por un mecanismo radicalario, está limitada a la adición de arenos altamente electrófilos a la posición beta. Las severas limitaciones en el alcance del componente areno en esta reacción se deben principalmente a la necesidad de un anión radical areno que sea lo suficientemente estable como para no reaccionar directamente con la enamina o el catión radical enamina. En el mecanismo propuesto, el fotocatalizador redox activado se desactiva oxidativamente por un areno deficiente en electrones, como el 1,4-diciano-benceno . El fotocatalizador oxida entonces una especie de enamina, generada transitoriamente por la condensación de un aldehído con un cocatalizador de amina secundaria, como la isopropilbencilamina óptima. El radical catión de enamina resultante suele reaccionar como un sistema de 3 electrones π, pero debido a la estabilidad de los socios de acoplamiento radicalario, la desprotonación de la posición β-metileno da lugar a un sistema de 5 electrones π con un fuerte carácter radicalario en el carbono β recién accedido. Aunque esta reacción se basa en el uso de un organocatalizador de amina secundaria para generar la especie de enamina que se oxida en el mecanismo propuesto, no existe ninguna variante enantioselectiva de esta reacción.

El desarrollo de esta β-arilación directa de aldehídos condujo a reacciones relacionadas para la β-funcionalización de cetonas cíclicas. En particular, la β-arilación de cetonas cíclicas se ha logrado bajo condiciones de reacción similares, pero usando azepano como cocatalizador de amina secundaria. Una reacción fotocatalítica "homo-aldólica" funciona para cetonas cíclicas, permitiendo el acoplamiento de la posición beta de la cetona al carbono ipso de arilcetonas, como benzofenona y acetofenona . ^{[ 38 ]} Además del cocatalizador azepano, esta reacción requiere el uso del fotocatalizador redox más fuertemente reductor Ir(ppy) ₃ y la adición de hexafluoroarsenuro de litio (LiAsF ₆ ) para promover la reducción de un electrón de la arilcetona.

El uso de la fotocatálisis redox para generar radicales reactivos centrados en heteroátomos se exploró por primera vez en la década de 1990. ^{[ 39 ]} Se encontró que [Ru(bipy) ₃ ] ²⁺ catalizaba la fragmentación del tosilfenilselenuro a anión fenilselenolato y radical tosil, y que un mecanismo de propagación de cadena de radicales permitía la adición de radical tosil y radical fenilseleno- a través del doble enlace de éteres vinílicos de alquilo ricos en electrones. Dado que el anión fenilselenolato se oxida fácilmente a difenildiselenuro, las bajas cantidades de difenildiselenuro observadas se tomaron como una indicación de que la fragmentación fotocatalizada redox del tosilfenilselenuro era importante solo como paso de iniciación, y que la mayor parte de la reactividad se debía a un proceso de cadena de radicales.

Las adiciones heteroaromáticas a olefinas incluyen reacciones de oxi- y aminotrifluorometilación multicomponente. ^{[ 40 ] [ 41 ]} Estas reacciones utilizan el reactivo de Umemoto, una sal de sulfonio que actúa como fuente electrófila del grupo trifluorometilo y que, según se ha demostrado, reacciona mediante una transferencia de un solo electrón. Así, la reducción de un solo electrón del reactivo de Umemoto libera el radical trifluorometilo, que se adiciona a la olefina reactiva. Posteriormente, la oxidación de un solo electrón del radical alquilo generado por esta adición produce un catión que puede ser atrapado por agua, un alcohol o un nitrilo. Para lograr altos niveles de regioselectividad, esta reactividad se ha explorado principalmente para estirenos, que tienden a formar el intermedio radical bencílico.

La hidrotrifluorometilación de estirenos y alquenos alifáticos puede llevarse a cabo con un fotocatalizador orgánico de acridinio mesitilo y el reactivo de Langlois como fuente del radical CF₃. _[ ^{42 ] En} esta reacción, se encontró que el trifluoroetanol y cantidades subestequiométricas de un tiol aromático, como el tiosalicilato de metilo, empleados en tándem, servían como la mejor fuente de radical hidrógeno para completar el ciclo catalítico.

Las hidroeterificaciones e hidroaminaciones intramoleculares proceden con selectividad anti-Markovnikov. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Un mecanismo implica la oxidación de un solo electrón del alqueno, atrapando el catión radical por un grupo funcional hidroxilo o amina colgante, y desactivando el radical alquilo resultante por transferencia de átomos de H desde una especie donadora altamente lábil. Las extensiones de esta reactividad a sistemas intermoleculares han dado lugar a i) una nueva ruta sintética para tetrahidrofuranos complejos mediante una "cicloadición de cruce de radicales polares" (reacción PRCC) de un alcohol alílico con un alqueno, y ii) la adición anti-Markovnikov de ácidos carboxílicos a alquenos. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

La sulfoximación de arenos ricos en electrones es posible gracias a la fotocatálisis redox. ^{[ 47 ]}