氢自由基的合成方法

《Journal of the American Chemical Society》：A Synthetic Method to Hydrogen Radicals

　　

原子氢（H•）作为电子与质子的结合体，是宇宙中最小的自由基。过去一个世纪中，放电与汞敏化紫外光等先进技术虽揭示了H•的反应性，却未能提供可用于合成的条件。研究人员报道了一种光介导方法，在具有合成实用性的条件下产生氢自由基。该策略实现了高度官能团化烯烃与卤代烃的温和、无金属还原。机理、电子顺磁共振（EPR）与密度泛函理论（DFT）研究表明，氢自由基经里德伯自由基（Rydberg radical）中间体生成，在化学与生物科学中具有潜在应用价值。

研究背景方面，原子氢（H•）自1912年Langmuir于钨丝高温均裂H₂发现以来，虽经电子辐射、微波放电、紫外光等方法可生成，但如Crabtree于1991年指出，均因极端条件而无合成适用性。传统方法无法在温和条件下可控释放H•，限制了其在分子组装中的利用。研究人员旨在解决“温和条件下生成H•”这一长期挑战，由NH₄•（寿命皮秒的里德伯自由基，α-裂解产NH₃+H•）启发，利用硫酚（PhSH）与铵离子pK_a相近可成离子对吸光电子转移的思路，初探氨体系仅得3%烯烃加氢产物；换用肼（N–H键解离能80.8 kcal mol^–1，低于氨的107.6）后优化得88%收率，从而建立光介导、无金属、经里德伯自由基释放H•的新合成平台，论文发表于《Journal of the American Chemical Society》。

主要关键技术方法：采用光化学流动/批次反应体系，以370–390 nm LED为光源，乙腈为溶剂，4?分子筛控水；通过平行动力学同位素效应（KIE k_H/k_D=2.45）与氘标记追踪氢源；以5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）为自旋捕获剂行连续波电子顺磁共振（CW-EPR）直接捕获DMPO–H•/D•加合物；以自由基环化探针底物区分自由基途径与重氮烯（diazene）极性途径；基于CAM-B3LYP/aug-cc-pVDZ的DFT计算分析离子对电荷转移激发态与自然跃迁轨道（NTO）；UV–vis监测硫酚盐-肼鎓离子对红移。

研究结果部分，Scheme 1（原子氢化学）回顾历史极端条件生成法，确立本研究“温和光介导”定位。Scheme 2（底物范围）显示：以(PhS)₂原位生成PhSH、肼合水为氢供体，对含醇、杂环、醚、酯、保护胺的多取代烯烃（2b–2ac）加氢收率优良，十倍放大（4.0 mmol）仍适用；卤代烯烃以加氢为主、伴轻微氢脱氧卤化（hydrodehalogenation），区别于既往“形式氢原子”物种优先还原卤素；碘/溴代烷（3a–3h）同条件得脱卤产物（4a–4h）。Scheme 3（控制与机理）证明无肼、无二硫化物、无光则反应停；去分子筛降至58%，390 nm仅35%，仅MeCN高效；KIE与D标记指认肼N–H/N–D断裂为决速步之一；自由基探针5得环化产物6（62%）排除重氮烯路径；单取代肼7/8高产，双取代9低效（N–H BDE高抑PhSH周转）；EPR在全程组分下捕获DMPO–H•（aN=1.49 mT, aH=1.95 mT）及D₂NND₂对应DMPO–D•，缺任一组分信号消失。Scheme 4（机理与计算）中DFT给出H₂NNH₃•（Int-I）裂解ΔG=?14.2 kcal mol^–1产H•，而H₂NNH•（Int-II）裂解吸热45.4–48.4；过氧化苯甲酰+肼+5只给线性还原物12无环化，排除Int-II/HN=N•作H•模拟体；UV–vis红移与NTO显示硫酚盐→肼鎓电荷转移（份额达32%），电荷密度差图佐证；假想氢肼化产物14分解、氢硫醇化产物16仅5%烷烃，排除先后加成再断键。最终机理：光激发硫酚盐-肼鎓离子对13→电子转移生H₂NNH₃•（Int-I）→13 ps级裂解放H•→H•加烯烃；PhS•经与肼类中间体HAT再生PhSH，两分子Int-II歧化最终放N₂。

讨论与结论翻译总结：研究人员经EPR、UV–vis、DFT、氘标记、机理探针综合指认光介导肼-硫酚体系经里德伯自由基H₂NNH₃•释放真H•，而非“形式氢原子”或重氮烯转移；该无金属、室温、官能团兼容平台解决了百年合成可及性难题，H•/里德伯双重属性有望拓展至化学与生物科学中的选择性还原与氢官能团化。结论原文意译：综上，研究人员报道了合成实用条件下获取氢自由基的方法，机理研究显示H•/里德伯双重性，可望在化学与生物科学中广用，此项工作化解了“令宇宙最小自由基服务于分子构筑”的长期挑战。