01
研究背景
羰基化合物的还原是合成醇的一种重要途径，广泛应用于有机合成、材料化学及药物化学等领域。其中，过渡金属催化下使用氢气的直接氢化反应是最常见的方法，具有较高的原子经济性，但常常面临化学选择性不好、具有爆炸风险的问题。为了解决这些问题，近年来发展的转移氢化法利用甲酸、醇、硼烷和硅烷等有机还原剂提供电子，同时作为氢源完成氢化反应。相比于有机氢源，水是一种更经济环保的含氢试剂，利用水作为氢源的羰基化合物还原反应也有一定的进展，但这些反应都需要外加还原剂来完成，这些还原剂要么较剧烈，要么在反应中释放质子干扰产物中氢的来源。至此，在无需化学计量的强烈还原剂或含氢的干扰性还原剂的条件下，实现以水为氢源的羰基化合物还原反应存在困难。
02
研究内容
近日，清华大学席婵娟教授团队基于可见光催化的策略，发展了铱光敏剂催化的 PPh3/H2O 还原体系，实现了水为氢源的羰基化合物的还原氢化反应。在 2 mol% 的光敏剂负载及硫酚类氢原子转移 (HAT) 试剂的存在下，可以高产率、高原子经济性地合成一系列一级醇、二级醇和二级胺类化合物；若移除 HAT 试剂，则可以高效地完成还原偶联反应，得到一系列苯基频哪醇的衍生物。
图1 光催化以水为氢源的羰基化合物还原反应
条件筛选过程中，作者发现 HAT 试剂的用量对反应的结果有显著影响：不加 HAT 试剂时，会完全发生双分子的还原偶联反应得到频哪醇产物；而随着 HAT 试剂用量的增加，双分子还原偶联反应逐渐被抑制，能较高选择性地得到底物单分子还原氢化的反应结果。经过细致筛选，确定标准反应条件为：在羰基底物 (0.2 mmol)、Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6(2.0 mol%)、三苯基膦 (2.0 equiv.) 作还原剂、H2O (0.15 mL) 作氢源、4-叔丁基苯硫酚 (20 mol%) 作 HAT 试剂及室温 30 W 蓝色 LED 灯光照的条件下，能以 99% 的收率得到相应的苄醇产物。在此条件下，作者首先对醛、酮及亚胺的单分子还原氢化反应的底物范围进行了考察 (表1)。芳基醛酮以及烷基醛酮在这一体系中都是兼容的，其中烷基酮的反应活性相对较差。此外，对于芳基醛酮的底物而言，芳环上带给电子基时反应效果很好，而带吸电子基时可能存在难以抑制的还原偶联反应，导致产率下降（图2）。
表1 反应条件优化
图2 单分子还原底物范围
随后，作者考察了在不加 HAT 试剂时的双分子还原偶联反应的底物范围 (图3)，芳基醛和芳基酮在这一反应中都有较高的活性，仅需 1.5 h 就能完成转化。对于芳环上带有吸电子基的底物而言，由于产物的溶解性较差，所以在反应结束后将其原位转化为硼酸酯，以便后续的分离与结构鉴定，产物 5d 的内消旋异构体 meso-5d 的单晶证明了产物的结构。
图3 双分子还原底物范围
结合自由基捕获实验、氘代实验、中间体验证实验和荧光淬灭实验，作者认为反应经过关键中间体 Int-2，这一中间体在生成三苯氧磷的热力学驱动下，可以作为一个较强的氢原子供体，提供氢原子与底物发生自由基加成生成 Int-3，在存在/不存在 HAT 试剂的条件下，完成后续不同的转化过程（图4）。
图4 可能的反应机理
03
总结展望
在国家自然科学基金的项目资助下，清华大学席婵娟教授团队发展了光催化以水为氢源的 Ir/PPh3/H2O 羰基化合物还原反应体系。该方法操作简便，底物普适性好，借助三苯基膦中磷的亲氧能力与水中的氧结合，活化释放了水中的氢，为通过氢化还原反应合成醇、亚胺类化合物提供了一种环境友好且符合可持续发展理念的方法。
04
论文信息
Photoinduced catalytical reduction of carbonyl compounds using water as a hydrogen source
Shenhao Chen and Chanjuan Xi
Org. Chem. Front., 2024, 11, 5415-5421
https://doi.org/10.1039/D4QO01015A
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05
通讯作者简介
席婵娟 教授
清华大学
席婵娟，女，清华大学化学系教授，博士生导师。1986年获兰州大学理学学士学位，1994年获中国科学院兰州化学物理研究所硕士学位，1999年获日本北海道大学药学部博士学位。1999年至2000年于日本北海道大学触媒化学研究中心进行博士后研究，2000年至今就职于清华大学化学系。自2000年以来，在清华大学组建了金属有机化学实验室并开展了过渡金属配合物参与的有机合成方法学研究，目前已经发表 SCI 论文200余篇，授权专利17项，出版教材2部，与他人合编著作5部 (章)，获得中国科学院科技进步二等奖1项，2005年荣获清华大学学术新人奖等各种奖励与荣誉。
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