《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Direct hydrogen atom transfer mediated C–H functionalization enabled by an anthraquinone-based photocatalyst
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光催化直接氢原子转移（d-HAT）策略通过anthraquinone催化剂实现室温下高效原子经济合成，突破传统需加热和厌氧条件限制。研究验证了高BDE（106.5 kcal/mol）使反应可在自然光下进行，兼容47种不同C-H供体，产率达62%-94%，并拓展至药物中间体合成（如vonoprazan）。催化剂通过固定化处理保持84%活性历经6次循环，开发了适用于Giese加成和加成-消除反应的一体化光催化体系，机制经DFT计算和实验证实。
董晓颖|欧阳静萍|王希康|何佳宇|高伟梅|曹鹿康|宋友|贾茜
沈阳药科大学制药工程学院，中国沈阳110016
摘要
光催化直接氢原子转移（d-HAT）策略通过利用失活的C-H键实现了高度原子经济性的合成，相较于间接HAT方法，该方法在消除额外HAT试剂和简化催化循环方面具有显著优势。为了解决传统d-HAT光催化剂需要加热和厌氧条件的局限性，我们采用蒽醌催化剂进行了理论指导下的反应设计与验证。由于蒽醌催化剂具有较高的键解离能（BDE），该反应能够在室温下进行，同时保持对底物的灵活选择性和区域选择性，从而将反应范围扩展到Giese加成及加成-消除反应，涵盖了47种底物，产率达到62%–94%。这一独特的机制展示了广泛的底物兼容性，包括醚类、醇类和失活的环烷烃等多种C-H供体，并进一步应用于药物中间体（如vonoprazan）的合成。在实际应用中，Giese加成反应可以在流动条件下进行，利用自然光驱动，并与Knoevenagel缩合反应结合实现一锅法级联反应；通过固定化技术，催化剂在6次循环后仍能保持84%的活性。基于全面的机理实验，我们提出了一种合理且得到充分支持的d-HAT反应机制，为C-H官能化的合成提供了丰富的方法。
引言
随着对可持续化学合成研究的重视不断增加，C-H官能化技术已成为化学研究的前沿[1,2]。这一策略简化了复杂有机分子的构建过程，提高了原子经济性。然而，C-H键的高键解离能（BDE）给其活化带来了热力学和动力学上的挑战。Giese加成反应作为一种生成碳中心自由基的成熟方法，在碳-碳键形成中得到了广泛应用[3][4][5][6]。尽管该方法具有很高的实用性，但通常需要预功能化的自由基前体、自由基引发剂和过渡金属催化剂，并且容易发生竞争性副反应（例如锡自由基对Michael受体的加成[7]）。这些问题限制了该过程的规模化，并引发了环境方面的担忧。
光诱导的C-H活化能够在温和条件下实现热力学上不利的反应[2]。然而，光催化剂激发态下C-H键的相对较低BDE使得直接从C-H供体中提取氢原子变得困难。目前的研究主要集中在间接氢原子转移（HAT）机制上[8]。激发态的光催化剂通过单电子转移（SET）激活HAT催化剂，使其能够与C-H键发生反应生成碳自由基。例如，吖啶衍生物[9][10][11]、Ir复合物[12,13]和4CzIPN[14]等光催化剂与含卤化合物[9,15]、氮氧化物[16,17]、三唑酰胺[18]和磺酰胺[14]等HAT催化剂结合，促进了这些转化[1b]。尽管这些系统表现出一定的效果，但它们仍面临副产物增多和光能利用率低的问题，主要是由于多个催化循环的复杂性。
直接氢原子转移（d-HAT）活化策略提供了一个有前景的解决方案。该策略使用单一光催化剂同时作为HAT催化剂，无需额外的HAT催化剂，减少了催化循环步骤，从而简化了反应过程[19]。此外，这种机制促进了光催化剂与底物分子之间的直接相互作用，减少了竞争性副反应。尽管在使用四丁基铵十钨酸盐（TBADT）[20]、二芳基酮[21]、eosin Y[22,23]和CdS量子点凝胶（CdS-QDs[24]等体系进行d-HAT光催化方面取得了显著进展[20][21][22][24]，但其实际应用仍存在局限性：TBADT成本较高，二芳基酮主要吸收紫外光，eosin Y需要高温和严格的厌氧条件，而CdS-QDs的合成过程较为复杂。在理论计算的指导下，我们开发了一种温和高效的C-H活化方法，基于d-HAT机制解决了这些问题。计算结果表明，蒽醌催化剂无需外部加热即可促进C-H活化反应[1d]。通过全面的机理实验，我们不仅获得了支持理论假设的可靠证据，还将反应方案拓展到了日光催化和可回收利用的范围。
结果与讨论
所有计算均采用高斯09 E.01软件（Gaussian 09 E.01）中的密度泛函理论（DFT）[25]方法完成。自旋量子数分析使用Multiwfn 3.8软件[27]进行，并通过VMD 1.9.3软件进行可视化（更多细节见支持信息[28]）。
结论
总之，通过理论计算验证了d-HAT的机理基础，通过BDE和LUMO计算评估了反应的可行性。光催化剂2-CO2H-AQ具有较高的BDE（106.5 kcal/mol），使其能够在室温下实现C-H活化。基于严格的计算，通过BDE、反应焓和LUMO能量的综合评估，我们扩展了C-H供体和烯烃的反应范围。
作者贡献声明
董晓颖：撰写——初稿、方法学研究、概念构建。欧阳静萍：撰写——审稿与编辑、方法学研究。王希康：结果验证、实验研究。何佳宇：结果验证、数据整理。高伟梅：实验研究、数据整理。曹鹿康：数据可视化、软件应用。宋友：项目管理、资金筹集。贾茜：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了“绿色生物制造”（2021YFC2102000）国家重点研发计划的支持。
