四川大学夏莹/成都理工大学施江陵Angew:以烷烃为氢源:钯/光氧化还原双催化实现温和条件下的烯烃氢化

近日,四川大学夏莹课题组与成都理工大学施江陵课题组合作在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Alkane as Hydrogen Source: Pd/Photoredox Dual-Catalysis Enables Mild Olefin Hydrogenation”的研究论文。安全且经济的催化氢化开发仍是一个持续的挑战,在温和条件下使用简单烷烃作为氢供体尤其理想,但传统脱氢方法通常需要严苛的条件(150−200 °C),并且能兼容的烯烃底物有限。作者报道了一种协同的钯/光氧化还原催化体系,利用简单烷烃作为氢源,在室温下即能实现烯烃的氢化,这种双重催化将烷烃的光催化氢原子转移(HAT)与钯催化的氢转移相结合,实现了烯烃的有效加氢。机理研究表明,该反应经自由基介导的途径,并支持烷烃为氢源。该方法操作简便,兼具广泛的底物适用性和良好的官能团耐受性,可在温和条件下实现对复杂分子的后期修饰。本研究确立了一种以烷烃作为便捷、多功能氢供体的通用策略,为依赖氢气的传统氢化方法提供了一种温和的替代方案。
烯烃氢化反应在有机化学中占据着基础性的地位,广泛应用于小分子合成、工业生产和生物化学研究。以氢气为氢源的传统过渡金属催化氢化(例如使用Pd、Pt、Rh、Ir等金属催化剂)仍是一种功能多样且广泛适用的重要方法,但其通常需要使用加压的氢气,存在潜在的安全风险(图1Aa)。转移氢化(TH)以金属氢化物(例如R₂BH或R₃SiH,图1Ab)或质子供体(例如RCO₂H、RCH₂OH、NH₂NH₂和H₂O,图1Ac)等为氢源,目前已成为一种前景广阔的替代方法,虽然该方法通过避免使用高压氢气提升了操作安全性,但是其常用的两类氢源均存在局限:金属氢化物对空气和湿度敏感,而以质子供体为氢源的体系则通常需要使用化学计量的还原剂。最近发展的以水为氢源的烯烃电催化氢化方法,通过与水电解相结合,无需使用外部还原剂,兼具经济性与安全性,但该方法受限于对定制电极的依赖(图1Ad)。因此,开发安全、经济且环境友好的烯烃氢化储氢材料是一个关键目标,这需要在催化策略层面进行创新。
与此同时,均相贵金属催化剂(如Ir、Rh、Ru)已被证实可介导烷烃的转移脱氢反应,该反应通常在高温(150−200 °C,图1B)下以叔丁基乙烯作为氢受体。机理研究表明,该催化循环始于烷烃C−H键对低价金属中心的氧化加成,然后通过β−氢消除生成金属氢化物并释放烯烃产物,金属氢化物再通过迁移插入和还原消除与氢受体反应,完成催化循环。尽管该反应展现了烷烃充当氢供体的潜力,但将其反向应用于以烷烃为氢源的烯烃氢化反应仍面临挑战,该过程所需的高温导致其官能团耐受性差,可兼容的烯烃受体范围有限,因此该方法仅适用于特定底物。
同时,通过自由基介导的氢原子转移(HAT)策略,在温和条件下实现简单烷烃中C(sp³)−H键的多功能官能团化已取得了重要进展,实现了烷基化、芳基化和脱氢烯基化等转化反应。受此启发,作者设想将自由基氢原子转移(HAT)过程与金属氢化物介导的烯烃官能团化相结合,以协同实现烷烃脱氢与烯烃氢化的双重目标。这一设想构成了作者提出的氧化还原双催化框架的基础(图1C),此过程历经三个关键步骤:(1)光化学氢原子转移(HAT)催化剂从烷烃中夺取一个氢原子,生成一个质子和一个烷基自由基;(2)烷基自由基与过渡金属(TM)配合物反应,生成关键的金属氢化物(TM−H);(3)TM−H 物种通过迁移插入和质子化将氢转移给烯烃。实现这一设计理念的核心挑战在于如何将光催化与过渡金属催化有效整合于同一反应体系之中。在此,作者报道了该策略的成功实施,通过将钯催化与四丁基十钨酸铵(TBADT)——一种兼具HAT与光氧化还原双功能的催化剂——相结合。该协同催化体系能够在室温条件下,以简单烷烃为氢源,实现烯烃的有效氢化(图1D)。
表1. 反应条件筛选(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
首先以非活化烯烃1a为模板底物,在由钯催化剂、HAT光催化剂以及作为氢源的烷烃组成的双催化体系下,考察了该烯烃的氢化反应(表1)。经过系统优化反应条件参数后,以88%的分离产率获得了氢化产物2a。优化后的反应条件如下:以2 mol% TBADT为光催化剂,2 mol% Pd(OPiv)₂为过渡金属催化剂,20当量的甲基环己烷为氢源,乙腈为溶剂,在室温下用390 nm蓝色LED灯照射反应12小时。考察其他氢源发现,环己烷、环戊烷和正己烷的效果均远不及甲基环己烷(条目1−3)。对多种钯催化剂的筛选结果表明,Pd(OPiv)₂是最优选择,而其他钯前体仅能以较低或可忽略不计的产率得到目标产物(条目4−9)。溶剂考察显示,乙腈(MeCN)的效果优于二氯甲烷(DCM)、1,2-二氯乙烷(DCE)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)以及苯等溶剂(条目10−13)。甲基环己烷的用量考察显示,20当量是实现高产率的最佳选择(条目14−15)。值得注意的是,在空气中进行反应时,仅能检测到痕量产物(条目16)。必要的对照实验证实,缺少TBADT、Pd(OPiv)₂、光源或氢源中的任一条件时,该反应均无法进行(条目17−20)。
在获得最优反应条件后,作者系统考察了该氢化反应的底物适用范围(图2)。初步评估了各种非活化烯烃的官能团耐受性,首先考察了苯酚衍生的末端烯烃,含有不同取代基的底物,包括−CPh₃(2b)、−CN(2c)、−COMe(2d)、−CO₂Me(2e)、−OPh(2f)、−CH₂CH₂COMe(2g)、咔唑基(2h)和−NHAc(2i),均在标准条件下兼容,以中等至优异的产率(56−95%)得到相应产物。虽然带有潜在反应性基团的芳香环通常易于发生HAT,但−OMe和−Me等官能团被证明是适用的,能够高效形成氢化产物(2j−2l, 2n, 2o)。富电子、缺电子的芳香体系以及萘衍生的底物,均能顺利还原为所需产物(2m, 2p−2r)。含有不同长度烷基链的底物能以中等产率转化为相应产物(2s)。吡啶醇和喹啉醇骨架衍生的烯烃也能高效氢化(2t−2u)。除末端烯烃外,1,2-二取代、1,1-二取代和三取代烯烃均能以中等至良好的产率实现氢化(2v−2y)。
进一步将底物范围拓展至苯甲酸衍生的末端烯烃。具有不同烃骨架的底物均能有效转化为相应的产物,产率为良好至优异(2z−3b),具有不同电子性质的芳烃——尤其是带有活泼甲基的底物——均可顺利氢化,以70−79%的产率得到产物(3c−3h),由富电子吡咯羧酸衍生的烯烃也能高效进行氢化反应,以中等产率得到目标产物(3i),酰胺连接的末端及内烯烃均具有良好的兼容性,以30−89%的产率得到相应产物(3j−3n)。随后,对一系列含氮底物进行了探索。邻苯二甲酰亚胺(3o)、吲哚(3p)和咔唑(3q)等官能团在标准条件下均能顺利反应,以相当的产率生成氢化产物,此外,Z构型的内烯烃也成功实现了氢化,以80%的产率得到目标产物(3r)。相比之下,烷基链中缺少氧连接子的简单烯烃则以70–98%的产率得到氢化产物(3s−3u)。除非活化烯烃外,芳基烯烃及酰胺连接的共轭烯烃也能够以中等至良好的产率成功得到目标产物(3v−3x)。
作者进一步评估了该氢化方法在复杂及生物相关分子中的适用性(图3)。一系列来自多官能团化合物的非活化烯烃,例如6-苯基烟酸(4a)、4-羟基-6-甲基-2-(三氟甲基)喹啉(4b)和2-苯甲酰基苯甲酸(4c)衍生的烯烃,均能顺利发生氢化反应。来自生物相关分子的烯烃,包括布洛芬(4d)、美卡比酯(4e)、维生素E(4f)、雌酮(4g)、奥沙普秦(4h)和氟比洛芬(4i)衍生的烯烃,也均被成功还原。这些结果表明,该策略为复杂分子框架中非活化烯烃的氢化提供了一种可行且温和的合成方法。
为了深入了解反应机理,作者进行了一系列机理实验(图4A)。当在不含甲基环己烷的条件下进行反应时,未观察到氢化产物2a,起始原料1a被回收(图4Aa),该结果表明,氢供体并非来自溶剂(乙腈)或其他背景源,而是烷烃本身。进一步的证据支持该反应涉及自由基途径。在标准条件下加入自由基捕获剂2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)后,产物生成被完全抑制(图4Ab)。此外,当引入磺酰基炔烃作为自由基捕获剂时,检测到相应的环己基加合物,而非产物2a(图4Ac)。这些实验表明,反应中涉及烷基自由基中间体,该自由基是通过氢原子转移(HAT)从烷烃转移至光激发的TBADT而产生的,随后对反应混合物的GC−MS分析显示,甲基环己烷经历单次或多次脱氢,生成相应的烯烃或甲苯,这与其作为氢供体的净作用一致(图4Ad)。
作者通过同位素标记实验对反应机理进行了进一步探究。在标准反应条件下,用d₁₂-环己烷代替甲基环己烷进行反应,结果观察到氘原子掺入至原双键的两个碳原子上(图4Ae),用CD₃CN代替乙腈(MeCN)时,仅在氢化烯烃的末端位置观察到少量氘原子掺入(图4Af),当同时使用d₁₂-环己烷和CD₃CN时,再次观察到两个位置均有氘原子掺入(图4Ag),上述结果证实,氢原子主要来自烷烃,仅有少量氢交换可能通过乙腈中弱酸性的C−H质子(在DMSO中pKa∼25)发生,这一过程可能由酸性中间体(如[TBADT]⁵⁻H⁺物种)介导。为了进一步证实这一结论,在标准条件下加入5.0当量的D₂O进行反应(图4Ah),产物仅在末端位置观察到氘原子掺入,这一观察结果与以下结论一致:末端氢来源于涉及酸性质子的质子化步骤。
基于上述实验结果以及光催化HAT和过渡金属催化烯烃氢化的相关文献,作者提出了如图4B所示的催化循环。该循环始于基态[TBADT]⁴⁻光激发至其激发态*[TBADT]⁴⁻,后者通过HAT过程从烷烃中夺取一个氢原子。此步骤生成一个烷基自由基以及[TBADT]⁵⁻H⁺。随后,[TBADT]⁵⁻H⁺与PdII物种发生单电子转移,再生基态光催化剂[TBADT]⁴⁻,释放一个质子,并生成PdI中间体,从而完成光催化循环。与此同时,PdI物种与烷基自由基反应,生成钯氢中间体(PdII−H)并伴随生成1-甲基环己烯,后者可经多次脱氢转化为甲苯。随后,PdII−H物种对烯烃底物的C=C双键发生迁移插入,生成烷基钯物种(烷基−PdII)。最后,该烷基−PdII中间体经质子化,释放氢化产物并再生PdII催化剂,完成整个催化循环。
四川大学夏莹课题组与成都理工大学施江陵课题组合作,发展了一种协同的钯/光氧化还原催化体系、以简单烷烃为氢源实现未活化烯烃氢化的温和且普适性方法。该策略将光氧化还原催化的HAT过程与Pd−H介导的氢转移融合于一个统一的催化循环之中。该体系在室温下即可有效运行,催化剂载量低,能够兼容广泛的烯烃类型——包括末端、1,1-二取代、1,2-二取代烯烃以及三取代烯烃——同时适用于带有敏感官能团的复杂分子。机理研究支持该反应途径涉及连续的HAT与Pd−H形成过程,并确认烷烃为氢供体。本工作为合成氢化反应中烷烃的利用建立了一种实用且多功能的范式,为传统氢源提供了一种安全、经济的替代方案。未来的工作将聚焦于发展该转化的不对称版本。
论文信息:
Alkane as Hydrogen Source: Pd/Photoredox Dual−Catalysis Enables Mild Olefin Hydrogenation
DOI: 10.1002/anie.7920745
文章第一作者成都理工大学硕士生导师施江陵和四川大学硕士研究生袁佳丽,通讯作者为四川大学华西公共卫生学院(华西第四医院)/生物治疗全国重点实验室夏莹研究员。
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