众所周知,多种药物分子中都含有sp~3 C与其它杂化碳原子构建的化学键,例如苯达莫司汀、吲哚胺2,3-双加氧酶抑制剂(IDO)以及替罗非班等。因此,基于sp~3 C的C-C键构建,特别是C(sp~2)-C(sp~3)键和C(sp~3)-C(sp~3)键的形成,是药物分子合成的关键。过去的几十年里,过渡金属催化的交叉偶联反应是现代有机合成中极其重要的构建C-C键的策略。化学家们已经发展了多种策略用于实现不饱和碳之间的偶联反应,然而,这些离子型偶联反应却不能很好地适用于亲电性烷基化试剂C(sp~3)-X,主要原因是烷基亲电试剂与低价态过渡金属的氧化加成困难、脂肪链无法通过π电子稳定过渡金属原子,导致形成的金属-碳化学键键能弱,容易发生烷基亲电试剂的β-H消除。近年来,随着钌、铱、铜、钯、金、铁以及有机染料等光敏剂的不断开发与应用,光氧化还原体系得到了迅猛发展。光化学反应能够温和地实现很多以往不容易实现的化学转化,因而受到了化学家们的广泛关注。光诱导下,烷基亲电试剂或烷基亲核试剂与光氧化还原催化剂之间的单电子转移能够促进烷基自由基的产生。烷基自由基对金属物种的氧化加成或与其它自由基的直接偶联为C(sp~3)-C键的构建提供了新的方向。本论文主要包括以下四个部分:第一部分介绍了多种烷基自由基前体参与的自由基烷基化反应,主要包括近些年报道的部分芳香族化合物、烯烃以及sp~3 C的自由基烷基化策略。涉及的烷基自由基前体主要包括烷基卤化物、脂肪族羧酸及其氧化还原活性酯(NHPI酯和TCNHPI酯)、烷基硼酸、烷基三氟硼酸钾、烷基1,4-二氢吡啶化合物、烷基的双硅酸取代铵盐、烷基亚磺酸锌试剂以及其它一些简单的烷烃化合物。第二部分讲述了一种烷基取代烯烃的合成方法。实现了首例紫外光照射下,铜(II)促进的α,β-不饱和羧酸与烷基碘化物的脱羧偶联反应,并且能够以优秀的区域和立体选择性得到目标产物。温和的反应条件和优异的官能团兼容性使得该策略能够被应用到复杂分子的烷基化修饰中去。第三部分涉及非天然α-氨基酸的合成。使用脂肪族羧酸氧化还原活性酯作为烷基化试剂,首次实现了可见光介导下铜(I)复合物催化的甘氨酸衍生物α-C(sp~3)-H键的自由基烷基化反应。鉴于氨基酸是多肽的基本骨架,该策略还可以被应用到多肽修饰中,实现甘氨酸片段的烷基化修饰。此外,产物N-保护基的脱除实现了由氨基酸衍生物到非天然α-氨基酸的转化。第四部分探究了无过渡金属参与条件下C(sp~3)-H键的活化烷基化策略。首次实现了紫外光诱导下烷基氯化物对C(sp~3)-H键的自由基烷基化反应,在没有过渡金属存在的情况下,使用四丁基碘化铵做催化剂,实现了一系列α-氨基酸衍生物的合成。相较于烷基溴化物和烷基碘化物来说,烷基氯化物自然界丰度高但活化困难。因此,该方法为无过渡金属参与下烷基氯化物参与的其它自由基偶联反应指明了道路。