共轭二烯 1,4 - 氢化研究背景
共轭二烯的 1,4 - 选择性氢化在有机合成中意义重大却颇具挑战。过去几十年，虽已开发多种方法，但在控制选择性和底物范围方面仍存在问题。多数过渡金属催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、铜（Cu）等，存在成本高、毒性大或稳定性差等缺点，且难以控制反应选择性。部分 Ru、Rh 催化的反应底物范围有限，光化学和电化学方法也未能有效解决选择性和底物范围的问题，因此，开发新方法迫在眉睫。
实验内容
- 反应条件优化：以 5 - 甲基 - 1 - 苯基吡啶 - 2 (1H)- 酮（1a）为模型底物进行优化研究。结果表明，以噻吨酮（TX；5 mol %）和三氟甲磺酸（TfOH；10 mol %）为光催化剂，三苯基膦（PPh3；1.1 equiv）为电子供体，水（H2O；1.5 equiv）为氢源，在四氢呋喃（THF）中经紫色发光二极管（LED）照射，可得到 1,4 - 氢化产物 5 - 甲基 - 1 - 苯基 - 3,6 - 二氢吡啶 - 2 (1H)- 酮（2a），核磁共振（NMR）产率为 28%。经溶剂筛选，确定 1,2 - 二氯乙烷（DCE）为最佳溶剂，此时产物 NMR 产率达 76%。增加 PPh3用量可使2a定量生成，确定 1.5 equiv 的 PPh3为最佳用量。降低催化剂用量实验发现，2.5 mol % 的 TX 和 10 mol % 的 TfOH 为最佳反应条件，2a的分离产率可达 90%。其他光氧化还原催化剂如 4CzIPN 和 EosinY 无催化活性，有机胺类电子供体也不适用于该体系。最终确定条件 A（2.5 mol % TX，10 mol % TfOH，1.5 equiv PPh3，1.5 equiv H2O，0.01 M DCE，紫色 LEDs，室温 [RT]）用于 1,4 - 氢化反应。
- 底物范围考察：在优化条件下，考察了多种含不同官能团的环状共轭二烯底物。N- 苯基吡啶酮上的各类供电子基团（如甲氧基、乙酰氧基、羟基、甲基）、空间位阻较大的叔丁基和苯基、卤素以及吸电子基团（如甲氧羰基、乙酰基、甲酰基、氰基、三氟甲基）均能较好兼容，反应可得到中等到优秀产率的目标产物。N- 甲基或N- 己基环内酰胺、N- 苄基吡啶酮以及硫代吡啶酮也能在该条件下反应，分别得到相应的还原产物。
对于链状共轭二烯底物，(2E,4E)-N,N,N,N- 四乙基己 - 2,4 - 二烯二酰胺（1y）反应可得到相应 1,4 - 氢化产物（2y），产率为 67%。N- 丁基和N- 苄基二酰胺以及N- 苯基上带有不同取代基的底物均能顺利反应，含氰基和酰胺基的共轭烯烃也可高效转化。通过 X 射线晶体学分析发现，链状共轭二烯反应生成E- 烯烃，环状共轭二烯受环结构影响生成Z- 烯烃，且所有测试反应均无其他副产物生成。
- 合成应用：为证明该方法的实用性，进行了一系列实验。对1a进行克级规模实验，2a的合成效率几乎不受影响。该方法可用于合成内源性代谢物 (E)-2 - 丁烯 - 1,4 - 二羧酸（3ag），即使是 (2Z,4Z)- 二烯（1ag），也能得到E- 烯烃产物（2ag）。此外，1ah的氢化产物2ah可用于制备桥连含氮双环化合物，且该方法相比以往报道，大大提高了2ah的产率（从 11% 提升至 76%），还避免了使用高压容器和危险试剂如丁基锂。
- 机理研究：控制实验表明，TfOH、PPh3、H2O 和光照均为 1,4 - 选择性氢化反应的必要条件，缺少其中任何一个元素都会导致少量 [2 + 2]- 光环化加成产物生成，无光照射时在 80°C 下不发生反应，排除了热化学反应的可能性。光开关实验显示，反应仅在光照下发生，量子产率为 0.04，表明反应可能通过光氧化还原催化进行，且不存在显著的自由基链反应。
UV - 可见光谱表明，1a与 TfOH 混合后吸收峰蓝移至 UV 区域，暗示1a羰基可能发生质子化；1a与 PPh3混合无明显颜色变化和新吸收带，说明体系不太可能形成电子供体 - 受体复合物。Stern-Volmer 荧光猝灭实验表明，9-HTXTF∗更容易被 PPh3猝灭。18O 标记实验证实 PPh3为还原剂，且 O=PPh3中的氧原子来源于 H2O。
以1ai为底物时，除少量目标产物2ai（产率 9%）外，还观察到 16% 产率的3ai，为反应过程中生成自由基中间体4提供了证据。氘代实验表明，H2O 作为氢源，反应过程中可能存在碳负离子。随着 D2O 用量增加，氘代比例相应上升。对氘代位置和比例的深入研究，推测出了复杂的反应过程和产物形成机制。
基于上述实验结果，提出了可能的反应机理：光催化剂 9-HTXTF 吸收光子形成光激发态 9-HTXTF∗，9-HTXTF∗将 PPh3单电子氧化，生成还原物种 9-HTXTF⋅−和自由基阳离子 Ph3P⋅+，后者被 H2O 进攻并歧化生成 Ph3P、H2O 和 Ph3P = O。TfOH 活化底物1a形成11，增强底物的单电子还原能力。11接受 9-HTXTF⋅−的电子形成自由基阴离子中间体12，12质子化生成自由基26，部分26经单电子氧化和 β-H 消除再生1a，大部分26经 9-HTXTF⋅−单电子还原生成碳负离子27和28，它们分别通过质子化和快速质子化及异构化最终形成产物。
研究总结
研究开发了一种高效的共轭二烯 1,4 - 氢化方法，该方法无需金属催化剂，使用绿色氢源，能高选择性地将多种共轭二烯还原为相应烯烃，且无异构体生成。机理研究证实了光诱导电子转移（PET）/ 质子转移（PT）过程的发生。该方法为 1,3 - 二烯向 1,4 - 氢化烯烃的转化提供了新的绿色可持续途径，在有机合成领域具有广阔的应用前景。
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