水，是生物体的天然反应溶剂。然而在有机合成领域，由于反应物和催化剂的溶解性和水稳定性问题，通常导致水溶剂的应用被阻碍。2005年，K. B. Sharpless证实了部分反应中，水会大幅加快反应速率，并提出“on water”概念，推动了水参与反应的发展。而光催化“on water”反应的研究并未得到过深入的研究探索。
最近，华东师大姜雪峰教授团队通过光催化“on water”体系，实现了加速的醛C-H活化氧化偶联制备官能化酮的策略（图1）。多金属氧酸盐（POMs）作为金属氧化物簇，由于无有机配体而具有优异的水稳定性，且在光照下呈现配体到金属的电荷转移（LMCT）模式，有望解决光敏剂在水中的溶解性和稳定性问题。基于前期在光催化领域的深耕，作者建立了利用多钼酸盐（[N(C4H9)4]2[Mo6O19]）作为光催化剂，在蓝光照射下的“on water”氧化体系，实现了从醛到酮的高效转化。
图1. 钼光催化的“on water”反应
通过条件的筛选优化，确定标准条件：以[N(C4H9)4]2[Mo6O19]为光敏剂，水作为反应介质，通过蓝光（430 nm，12 W）激发，常温常压氮气保护下实现多样性转化。标准条件下，疏水性底物在水界面上形成许多油滴（图2A）；对比其他不同溶剂，通过跟踪监测反应，证实了水的加速效应（图2B）。在标准条件下，尝试了各类Michael受体和醛类化合物，均能以中等到优异的产率（54-95%）构建多样的酮类化合物。
图2. 水与不同溶剂的反应速率对比
该方法被应用于生物分子的后期修饰。其中苯丙氨酸衍生Michael受体、二肽、三肽与苯甲醛反应，均能高效转化为对应的酮类化合物；不仅如此，药物分子雌酚酮衍生物，带有保护基的单糖表现出强的反应活性；乳糖衍生物得到目标分子（5h），甚至未保护的葡萄糖也能以46%产率得到目标产物（5g）。为了验证其潜在的工业应用价值，作者自主开发了光化学设备Photonex-M&R和Photoflux-YX，并成功应用于该方法的放大工艺（图3）。在10 mmol（1.81 g）的规模上，催化剂用量可以减少到1.0 mol%，在100 mmol的规模上反应效率更高，产率达到89%（23.1 g）。
图3. 钼光催化的克级规模“on water”反应及反应装置
随后，作者通过密度泛函理论（DFT）计算，催化剂的HOMO轨道主要由桥氧的孤对电子组成，而LUMO轨道主要由Mo的d轨道形成。单电子主要分布在桥氧上，使其成为具有强的攫氢能力（100.9 kcal/mol），荧光寿命为5.4 ns。自由基抑制实验，加入TEMPO或BHT后，反应完全抑制，证实了其可能为自由基途径。氘标记实验，表明水为酮提供了氢源。动力学同位素效应（KIE）实验显示，使用氘标记苯甲醛时反应速率显著下降，显示出明显的KIE效应（kH/kD = 2.55），表明苯甲醛的C-H键活化是反应的决速步。Stern-Volmer分析表明，在标准条件下，光敏剂与苯甲醛之间存在显著淬灭作用。荧光寿命分析表明，[N(C4H9)4]2[Mo6O19]与苯甲醛可能形成了新的复合物，进而发生HAT过程生成酰基自由基。EPR实验表明，反应体系中存在烷基自由基，源自Michael受体捕获酰基自由基。基于上述研究，提出了如下可能的反应机制（图4）。
图4. 机理研究
论文信息
From Aldehyde to Ketone via Water-Accelerated Molybdenum-Photocatalysis
Jiaolong Meng, Yixin Jia, Chengliang Li, Xuefeng Jiang
ChemCatChem
DOI: 10.1002/cctc.202400723
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