Chem：吴骊珠院士团队实现烯丙位碳氢键放氢交叉偶联 | Cell Press对话科学家

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近日，中国科学院理化技术研究所吴骊珠院士团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem发表了题为“Quantum dots enable direct alkylation and arylation of allylic C(sp³)–H bonds with hydrogen evolution by solar energy”的研究论文，首次报道了烯丙位碳氢键放氢交叉偶联。研究团队成员利用可见光照射量子点，实现烯丙位C(sp³)–H键与氮的a位C(sp³)−H键/芳香杂环化合物C(sp²)−H键的直接偶联，构筑新的碳碳键的同时，反应底物脱除的氢质子以氢气形式放出。

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烯丙基化反应是构筑碳碳键和碳杂键的重要有机反应，被广泛用于生物活性分子、现代合成材料和商品化学的合成。烯丙位取代反应（Tsuji-Trost）是实现烯丙基化反应的经典策略，但该策略引入特定的离去基团，如酯、碳酸盐、卤化物和磷酸盐等，极大降低了反应的原子经济性和步骤经济性（图1A）。烯丙位碳氢键官能团化是一类步骤经济和原子经济的理想有机反应，已知体系通常借助过渡金属催化和当量的氧化剂，往往导致反应的后处理繁琐，反应效率低下，并造成环境污染（图1B和1C）。

近日，中国科学院理化技术研究所吴骊珠院士团队首次报道烯丙位碳氢键放氢交叉偶联。研究团队成员利用可见光照射量子点，实现烯丙位C(sp³)–H键与氮的a位C(sp³)−H键/芳香杂环化合物C(sp²)−H键的直接偶联，构筑新的碳碳键的同时，反应底物脱除的氢质子以氢气形式放出（图1D和1E）。

图1 烯丙位碳氢键官能团化反应

作者通过电子顺磁共振(EPR)光谱实验证实了烯丙基自由基、氮的α位碳自由基的存在（图2）。这些实验表明，在可见光照射下，量子点可直接实现烯丙位C(sp³)–H键与氮的α位C(sp³)−H键活化。

图2 电子顺磁共振实验

该反应无需额外金属催化剂和氧化剂的参与，底物普适性好，官能团耐受性高，可直接用于天然产物和药物分子的后期修饰，并在太阳光照射下实现克级规模反应，具有步骤经济和原子经济的特点。

太阳光作为反应的动力来源，非常符合绿色化学的理念，在大规模工业生产中显得格外重要且必要。期望在未来的实验室研究以及工业研究中，可见光催化绽放出更加绚丽的火花，早日应用到关乎国计民生的事业当中！

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者吴骊珠院士代表研究团队进行了专访，请她为大家进一步详细解读。

CellPress：

很多有机反应都需要有光的参与产生自由基之后才能发生反应，所以光催化在有机化学领域有着广阔的应用空间。请吴院士简述一下光催化在有机化学领域的应用。

吴骊珠院士：

光化学是研究激发态物质结构及其物理、化学性质变化的科学。光化学反应是以洁净、节能、节约为目标的合成方法，为有机合成化学提供了新途径、新方法和新技术，是合成化学中非常活跃的研究领域之一。光化学反应的特点是一般不需要活化能，或者只需要很小的活化能，因此在低温或室温下可以很快进行。复杂的分子往往含有多个活性基团，通常化学反应中要使其中某一基团发生反应，需要先将其它基团保护起来。很多情况下这些基团在分子中的部位不同，吸收光的波长不同，“光”参与的化学反应可以利用不同波长的光选择性地激发某一基团能够引发反应的发生。

随着可见光催化反应的兴起，“光”这种特殊的、能够参与反应的清洁试剂的引入无疑为合成化学提供了新的机遇与挑战。人们利用激发态金属配合物、有机染料或半导体等具有较基态更强的给受电子的能力，通过对可见光的捕获，使其与反应底物发生光诱导电子转移（或能量传递），产生自由基或自由基离子等反应活性中间体，从而引发后续反应，在温和条件下实现多样的化学转换。例如在温和条件下实现惰性化学键如sp³ C-H键、sp² C-H键以及C-X键的活化与官能团化。

光化学在合成化学中涉猎广泛，特别是在天然产物、医药、香料等精细有机合成中具有特别重要的意义。巧妙利用光化学反应往往可以大幅度缩短目标产物的合成路线。例如，维生素D系列药物（包括维生素D₃，维生素D₂，以及1－羟基维生素D₃）在调控人和动物体内钙磷的吸收、代谢及平衡方面发挥着重要的生理和药理功能。它们的生产过去被少数国外制药企业所垄断，并对我国实行严格的技术封锁。我国对维生素D系列药物的需求几乎全部依靠进口。在多年来从事光物理和光化学研究的基础上，中国科学院理化技术研究所（原中国科学院感光化学研究所）开展了维生素D系列药物的小试和中试研究，并取得重大突破性进展。维生素D₃光化学生产新技术2000年成功转让浙江花园集团。目前，该集团维生素D₃产品已打入国际市场，产量跃居世界第一，中国已成为全世界维生素D₃最大的出口国。现代有机合成化学正朝着高选择性、原子经济性和环境保护型三大趋势发展。我们坚信高效绿色的光化学合成必将在未来工业生产中得到更广泛的应用。

CellPress：

本文中，吴院士团队设计了一种利用太阳能直接使烯丙基C(sp³)-H键烷基化和芳基化的方法。请问团队是如何想到这一方案的？过程中又遇到哪些困难？是如何攻克的？

吴骊珠院士：

在大学有机化学课本中专门有一章节讲述烯丙基化学，可见其应用的深度和广度。烯丙基化反应是构筑碳碳键和碳杂键的重要有机反应，被广泛用于生物活性分子、现代合成材料和大宗化学品的合成。烯丙位取代反应（Tsuji-Trost）是实现烯丙基化反应的经典策略，但该策略需要引入特定的离去基团，如卤素、羟基、酯基等，极大降低了反应的原子经济性和步骤经济性。直接活化C-H键可以缩短反应步骤，避免繁琐的反应的后处理、提高反应效率，符合绿色化学发展理念。基于这样的研究背景，我们尝试利用光催化方式实现烯丙位碳氢键的活化直接构筑新的碳碳键和碳杂键，反应底物脱除的氢质子以氢气形式放出，以期实现步骤经济和原子经济的化学转换。

在实验过程中我们遇到的主要问题，其一是在具有烯丙位碳氢键的烯烃中，选择性的活化烯丙位碳氢键，而保持双键不被氧化；其二是生成的烯丙位自由基在其寿命之内能与另一惰性碳氢键或其活性中间体（如自由基）偶联。而在反应过程中对光催化剂的要求是不仅能够同时活化两个偶联分子的C-H键，而且在完成催化循环后光催化剂自身不失活。

本工作中，我们发现在可见光照射下，具有出色的集光能力，可调控的能带，丰富的表面位点特点的量子点可以选择性的活化烯丙位碳氢键和另一惰性碳氢键。我们利用稳态和时间分辨的谱学技术、电子顺磁共振（EPR）技术及产物分布成功地鉴定和捕获到反应中的自由基中间体，证明量子点不仅可以同时活化烯丙位C-H键以及另一偶联分子的惰性C-H键生成自由基中间体，而且可以促进这两类自由基的交叉偶联，实现烯丙位C-H键的烷基化和芳基化反应，反应的副产物是H₂。

CellPress：

光催化是利用可持续发展的太阳辐射来进行化学反应的，且反应过程符合绿色化学的发展理念。请问吴院士，您对光催化未来的发展有怎样的见解？

吴骊珠院士：

光化学反应是以洁净、节能、节约为目标的合成方法，未来的主要发展方向一是如何高品质合成化学品，二是如何将太阳能存储于化学键中。这就需要设计制备廉价稳定的光催化剂，拓展新型光催化反应，利用光催化技术，开发绿色高效的合成方法，尤其是针对大宗化学品或重要化学品开发适合规模生产的工艺技术，在降低能耗的同时，减少对环境的污染，让可见光催化技术真正用到规模化工业生产中。

CellPress：

关于今年7月将在大连举办的Cell Symposia: Advancing Catalysis in C1 Chemistry，您将作为Plenary Speaker为我们带来精彩报告，您认为对于参会者来说，将有哪些收获以及期待。

吴骊珠院士：

我认为这是一个非常好的交流和学习的平台。参会者可以对太阳光驱动的化学反应有一个更深层次的了解。中国在2020年9月的联合国大会上，提出二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和。期待这次盛会能促进学科交叉，吸引更多的研究者关注这一领域，力争早日实现二氧化碳的有效利用，节能减排，为碳中和做出贡献。

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通讯作者简介

吴骊珠 

院士

吴骊珠，1990年毕业于兰州大学化学系，获学士学位。1995年毕业于中国科学院感光化学究所，获博士学位。毕业后留所工作，历任助理研究员、副研究员、研究员。1997年至1998年赴香港大学化学系从事博士后研究。现为中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师。长期致力于光化学研究，涉及太阳能光化学转换、光化学合成与技术、超分子体系中重要的光物理和光化学过程。曾获国家自然科学基金杰出青年基金资助（2001）、国家自然科学二等奖（2005，第二完成人）、中国青年科技奖（2007）、中国青年女科学家奖（2010）、中国化学会-物理有机化学奖（2013）、中国化学会-赢创化学创新奖（2016）、国家万人计划百千万工程领军人才（2016）。2019年当选中国科学院院士。

相关论文信息

研究成果发表在Cell Press旗下Chem期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。

▌论文标题：

Quantum dots enable direct alkylation and arylation of allylic C(sp³)–H bonds with hydrogen evolution by solar energy

▌论文网址：

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00048-6

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.01.019

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