光激发态质子化与还原实现萘的极性反转 Birch 还原：开启有机合成新征程

传统的 Birch 还原反应需强还原剂，与多官能团不相容。研究人员开展 “激发态质子化和还原实现萘的极性反转 Birch 还原” 研究，发现可利用光激发增加芳香碱度，用质子破坏芳香性，再用 Et3N-BH3还原。该成果拓宽了官能团耐受性，意义重大。

　　在化学的奇妙世界里，有机分子的合成一直是科学家们探索的重要领域。其中，芳香化合物的还原反应就像一把神奇的钥匙，能够将平面的二维材料转化为结构更为复杂的三维衍生物，为有机合成打开新的大门。Birch 还原反应作为这一领域的经典方法，在有机化学教学和实际合成中都占据着重要地位，它能可靠且选择性地增加芳香衍生物中 sp³杂化碳的比例，为后续的官能团化反应提供丰富的可能性。

然而，传统的 Birch 还原反应就像一个 “暴脾气” 的伙伴，需要使用强还原剂，如碱金属和液氨，而且反应通常要在低温下进行。这就导致它与许多敏感的官能团 “水火不容”，在实际应用中受到了很大的限制。近年来，科学家们为了解决这些问题，进行了许多尝试，开发出了基于机械化学、电化学和光氧化还原催化等的新方法，但这些方法也都存在各自的局限性。

在这样的背景下，来自德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）等机构的研究人员决心另辟蹊径，开展了一项关于 “激发态质子化和还原实现萘的极性反转 Birch 还原” 的研究。他们的研究成果发表在《Chem》杂志上，为芳香化合物的还原反应带来了新的曙光。

研究人员为了实现这一创新的反应，采用了多种关键技术方法。首先，他们利用激光闪光光解（LFP）技术，研究芳香化合物的光物理性质，观察光激发后电子的转移情况。其次，通过瞬态吸收光谱（TAS）技术，直接检测反应过程中产生的中间体，为反应机理的研究提供了有力证据。此外，还运用了理论计算方法，从量子化学的角度深入探讨反应的热力学和动力学过程，辅助解释实验现象。

下面让我们来看看具体的研究结果：

• 反应设计：实现 Birch 还原的极性反转面临着巨大挑战，因为芳香化合物本身碱性低，需要强 Br?nsted 酸来质子化，但强酸性条件又与弱氢源不相容。研究人员受到先驱性 LFP 研究的启发，发现光激发可以增加芳香化合物的碱性，使其能够在弱酸性条件下发生质子化。他们以 1 - 甲氧基萘（1a）为模型底物，通过理论计算和实验验证，确定了反应的可行性。
• 反应开发：研究人员对多种弱氢源进行筛选，发现 Et₃N-BH₃表现最佳，能以较高产率得到目标产物。他们还研究了不同取代基对反应的影响，发现供电子基和吸电子基都会影响电荷转移（CT）的程度和方向，进而影响反应活性和选择性。例如，1c 在光激发下，能有效地向 C5 发生 CT，从而高产率、高选择性地得到 Birch 产物 4；而 1e 由于 CT 导致 Ar₂带正电，不适合质子化。
• 底物范围：在优化反应条件后，研究人员探索了该反应的底物范围。结果发现，该方法对多种极性官能团具有良好的耐受性，包括游离醇、氨基、O - 芳基、N - 芳基和 N - 烷基等。同时，还能兼容一些在传统 Birch 条件下不稳定的基团，如炔丙基、伯烷基氯、OBn 基团以及同时含有酯和烯烃官能团的底物。此外，该方法还成功应用于一些结构复杂的衍生物和药物的后期饱和修饰，展示了其在有机合成中的巨大潜力。
• 机理研究：为了深入了解反应机理，研究人员进行了一系列实验。通过氘代实验，证实了 C5 质子化和 C8 氢转移的过程，并测定了动力学同位素效应（KIEs）。TAS 研究直接证明了碳正离子中间体的生成及其被 Et₃N-BH₃还原的过程。理论计算表明，C5 质子化在动力学和热力学上都比其他竞争过程更有利，而且质子转移过程比氢原子转移（HAT）过程更稳定，因为 HAT 过程会导致更大程度的芳香性损失和反芳香性增加，从而提高了反应的活化能垒。

总的来说，这项研究实现了萘的极性反转 Birch 还原，为芳香化合物的部分还原提供了一种温和、高效且具有广泛官能团耐受性的新方法。该方法打破了传统 Birch 还原反应的诸多限制，为有机合成化学开辟了新的道路。它不仅有助于合成更多结构复杂的有机分子，推动有机合成领域的发展，还可能在药物研发、材料科学等相关领域发挥重要作用，为这些领域的创新提供有力的技术支持。