可见光氧化还原催化是一种利用光敏剂(金属配合物或有机染料)在可见光照射下跃迁至激发态时所具有的氧化或还原能力来促进的单电子转移过程。与传统的紫外光促进的光化学反应相比,可见光氧化还原催化反应通常使用绿色、清洁的荧光灯或LED灯作为光源。反应通常在室温下进行,条件极为温和,易于操作,且无需额外加入高活性的自由基引发剂。更重要的是,由于绝大多数的有机分子都不会吸收可见光,因此降低了由于底物本身被光源激发从而发生副反应的概率。此外,可见光氧化还原催化反应所需光敏剂的量通常低于百分之一,因此在有机合成中具有潜在的应用价值和广阔的工业化前景。碳氢键官能团化一直是有机化学研究的前沿领域。如何使碳氢键官能团化在温和的条件下高效进行,是有机化学家的研究目标。我们试图通过可见光氧化还原催化的策略来进行碳氢键官能团化反应,并成功实现了N-烯基酰胺和烯醇酯类化合物末端C(sp2)-H键的烷基化、磺酰化和三氟甲基化等一系列转化,为碳氢键官能团化提供了一种新的解决方案。芳香杂环化合物广泛存在于具有重要生理活性的天然产物及药物分子中。因此,发展绿色、便捷、高效的方法来构建芳香杂环化合物对于有机合成和药物化学领域有着重要意义。我们以高效合成芳香杂环化合物为目标,研究了：(1)2-溴-1,3-二羰基化合物在可见光作用下与炔烃和烯烃的单电子转移反应,并利用该反应合成了1-萘酚、呋喃和二氢呋喃的衍生物；(2)可见光氧化还原催化的自由基异氰插入反应；(3)可见光促进下由肟的衍生物合成菲啶、喹啉、吡啶等一系列含氮芳香杂环化合物。论文的第一部分讨论了可见光氧化还原催化下N-烯基酰胺、N-烯基碳酸酯和烯醇酯类化合物末端C(sp2)-H键的官能团化反应。我们首先以2-溴丙二酸二乙酯作为自由基前体,以Ir(ppy)2(dtbbpy)PF6作为光敏剂,并在可见光照射下实现了N-乙烯基吡咯烷酮的末端C(sp2)-H键烷基化。接着我们进一步研究了N-烯基酰胺,N-烯基碳酸酯和烷基溴代物的底物范围,发现环状和链状的N-烯基酰胺,N-烯基碳酸酯在该条件下均能与多种缺电子的α-羰基溴代物顺利发生C(sp2)-H键烷基化反应,并且得到双键处于反式构型的产物。此外,我们还分别使用三氟甲磺酰氯和芳基重氮盐作为自由基前体,实现了N-烯基酰胺的三氟甲基化和芳基化。为了进一步探索反应的多样性,我们又使用烷基和芳基磺酰氯作为自由基前体,通过相同的策略,实现了N-烯基酰胺和N-烯基碳酸酯的C(sp2)-H键磺酰化。此外,我们还研究了烯醇酯类化合物在光氧化还原催化下与芳基、烷基、三氟甲基磺酰氯的反应,并利用该反应制备了a-磺酰基酮及a-三氟甲基酮。论文的第二部分讨论了一种利用可见光氧化还原催化的策略高效合成多取代的1-萘酚、呋喃和二氢呋喃衍生物的方法。我们使用Ir(ppy)2(dtbbpy)PF6作为光敏剂,通过可见光照射下2-溴苯甲酰乙酸乙酯和苯乙炔的单电子转移,顺利得到了1-萘酚衍生物。我们研究了溴代物和炔烃的适用范围,发现苯环上含有不同取代基的2-溴苯甲酰乙酸乙酯与芳炔、烷基炔反应都能得到很好的结果。接着,我们用2-溴-1,3-环己二酮作为自由基前体与苯乙炔衍生物通过相同的策略,得到多取代的呋喃,且使用富电子芳炔时反应收率要明显高于缺电子芳炔。该策略还可以用于制备二氢呋哺衍生物。我们使用苯乙烯和2-溴-1,3-环己二酮在相似条件下,得到了多取代的二氢呋喃。随后,我们讨论了苯乙烯衍生物和缺电子溴代物的底物范围,并由此制备了一系列二氢呋喃衍生物。论文的第三部分讨论了一种通过可见光促进的自由基异氰插入反应来合成6-烷基菲啶和1-芳基异喹啉衍生物的方法。我们使用fac-Ir(ppy)3作为光敏剂,在可见光照射下顺利实现了2-溴丙酸乙酯对联芳基异氰类化合物的自由基异氰插入反应并得到6-烷基菲啶衍生物。该反应具有很好的官能团容忍性且对链状、环状的α-酯基溴代物及全氟溴代烷均有很好的反应效果。我们还通过相同时间间隔下的光照／无光照实验,证明了该反应必须在可见光连续照射下才得以进行,从而推测该反应经历了可见光促进下通过光敏剂来传递电子的单电子转移过程。接着我们又尝试将可见光氧化还原催化的异氰插入反应应用于制备1-芳基异喹啉衍生物。我们设计并合成了烯基异氰类底物,使用二芳基碘盐作为芳基自由基前体,通过相同的策略顺利实现了光氧化还原催化的烯基异氰插入反应,并由此合成了一系列2-芳基异喹啉衍生物。此外,我们还通过该方法制备了一类在生物学上有重要应用的PBR配体探针。论文的第四部分讨论了一种肟的衍生物经可见光氧化还原催化下的单电子转移反应来合成菲啶、喹啉、吡啶衍生物的方法。我们首先研究了光敏剂fac-Ir(ppy)3存在下联芳基肟的衍生物的反应性。通过调节肟的酰基保护基的电性,我们发现对三氟甲基苯甲酰基保护的联芳基肟衍生物可以在光敏剂存在下经可见光照射顺利发生单电子转移反应并得到菲啶的衍生物。通过测量该底物的氧化还原电位,我们证明了其被激发态光敏剂还原为亚胺自由基的可行性。我们研究了该反应的底物范围,成功合成了一系列多取代的菲啶。此外,我们还从对三氟甲基苯甲酰基保护的肟出发,通过相同的策略合成了喹啉和吡啶的衍生物。最后,我们通过该方作为关键步骤,以5步和大约55%的总收率成功合成了菲啶类天然产物noravicine及nornitidine。