《Nature Communications》：Photooxidative Copper(II) Catalysis for Promoting anti-Markovnikov Hydration of Alkenes
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为解决传统光氧化还原催化依赖贵金属络合物的问题，研究人员开发了一种基于地球丰产铜(II)络合物的新型光催化体系。该研究实现了在温和条件下对多种烯烃（包括脂肪族底物）的anti-Markovnikov水合反应，并成功应用于天然产物及药物衍生物的后期功能化，为烯烃的多样化转化提供了新策略。
在当代有机合成化学领域，光氧化还原催化（Photoredox Catalysis）作为一种强大的工具，能够在温和条件下生成高活性的自由基中间体，从而实现一系列传统方法难以完成的化学转化。然而，这一领域的蓬勃发展长期以来严重依赖钌（Ru）、铱（Ir）等贵金属络合物作为催化剂。这些金属不仅储量稀少、价格昂贵，其潜在的环境毒性与可持续性发展理念也存在冲突。因此，开发基于地球丰产（earth-abundant）、廉价且环境友好的金属（如铁、铜等）的新型光氧化还原催化剂，已成为化学家们迫切追求的目标，也是推动绿色合成化学前进的关键一步。
烯烃作为一种来源广泛、结构多样的基本化工原料，其高效、高选择性的官能化反应一直是合成化学的核心议题。其中，烯烃的水合反应，即向碳碳双键上加成一分子水，是制备醇类化合物最直接的路径之一。经典的酸催化水合遵循马氏规则（Markovnikov's rule），产物为更稳定的取代较多的醇（马氏醇）。但在许多情况下，人们希望得到反马氏规则（anti-Markovnikov）的产物，即取代较少的醇，这类醇是合成药物、香料和材料的重要砌块。实现反马氏选择性水合传统上需要经过多步间接转化或使用苛刻的条件，过程繁琐且原子经济性不佳。因此，发展一种条件温和、步骤简洁、直接实现烯烃反马氏规则水合反应的通用催化方法，具有重要的科学意义和应用价值。
为了应对上述挑战，一组研究人员在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们成功开发了一种基于异配体铜(II)络合物的高效光氧化催化体系，首次实现了在温和条件下对多种烯烃的直接、高选择性反马氏规则水合反应。这项工作的核心在于发现并利用了一种原位生成的铜(II)络合物非凡的“光氧化”能力。该络合物由二水合氯化铜(II)（copper(II) chloride dihydrate）与联菲啰啉（bathophenanthroline）和3,4-二甲氧基苯硫酚盐（3,4-dimethoxybenzenethiolate）配体在反应体系中生成。研究人员通过关键的光物理和电化学表征发现，该铜(II)络合物在可见光（Visible-light）照射下能够被有效激发，并拥有足够长的激发态寿命，从而使其具备了氧化多种烯烃（甚至包括反应性较弱的脂肪族烯烃）的能力，启动自由基反应历程，最终高产率、高选择性地得到反马氏水合产物。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下关键方法：通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis absorption spectroscopy）、稳态与时间分辨荧光光谱（Steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy）以及瞬态吸收光谱（Transient absorption spectroscopy）系统研究了铜(II)络合物的光物理性质，确认了其长寿命激发态的存在。利用循环伏安法（Cyclic voltammetry）测定了催化剂与底物的氧化还原电位，从热力学角度论证了光诱导电子转移的可行性。通过核磁共振氢谱（1H NMR）、碳谱（13C NMR）、高分辨质谱（HRMS）等技术对反应产物进行了全面的结构鉴定与表征。采用氘代实验、自由基钟实验、电子顺磁共振（EPR）波谱等机理研究手段，对反应可能涉及的中间体和路径进行了深入探究。
研究成果的详细阐述如下：
1. 催化剂设计与光物理性质表征
研究人员设计并合成了一种由联菲啰啉和硫酚盐配位的异配体铜(II)络合物。光谱学研究表明，该络合物在可见光区（约450 nm）有明显的吸收，表明其适用于可见光驱动。更关键的是，瞬态吸收光谱数据显示其激发态寿命达到了微秒级别，这远长于大多数简单铜络合物的纳秒级寿命，为其与烯烃底物发生有效的电子转移（氧化淬灭过程）赢得了宝贵时间。电化学测量表明，该络合物的激发态具有极强的氧化能力，其激发态氧化电位足以氧化一系列富电子烯烃。
2. 反马氏水合反应的底物普适性研究
在优化的反应条件下（蓝色LED照射，室温，水作为亲核试剂），该铜催化体系展现出了优异的底物适应性。一系列苯乙烯衍生物，无论带有给电子基团（如甲基、甲氧基）还是吸电子基团（如卤素、酯基），都能以良好至优秀的产率转化为相应的反马氏醇。更为突出的是，该体系成功地将反应范围拓展至挑战性的脂肪族烯烃，如α-烯烃（1-辛烯）和环状内烯（环己烯），也能以中等至良好的产率得到目标产物，打破了此类反应通常局限于苯乙烯类底物的限制。
3. 天然产物与药物分子的后期功能化应用
为了证明该方法的合成实用价值，研究人员将其应用于复杂生物活性分子的后期修饰。多种含有烯烃结构的天然产物（如(-)-α-蒎烯、香茅醇衍生物）和药物分子（如吉非罗齐衍生物、雌酚酮衍生物）均能顺利进行反马氏水合反应，以高度区域选择性地在分子中引入羟基，且不破坏其他敏感官能团。这一结果凸显了该方法在药物化学和化学生物学中进行分子结构精准修饰的强大潜力。
4. 反应机理的探究
通过一系列控制实验和光谱学证据，研究人员提出了合理的反应机理。在可见光照射下，铜(II)催化剂被激发至强氧化性的激发态，通过单电子转移（SET）氧化烯烃底物，生成相应的烯烃自由基阳离子中间体和水合的自由基中间体。随后，该自由基中间体被体系中的还原剂（可能是配体或底物衍生的物种）还原，质子化后得到最终的反马氏醇产物，同时催化剂回到基态，完成催化循环。氘代标记实验和自由基捕获实验为这一自由基离子路径提供了有力支持。
5. 催化体系的扩展应用
研究还表明，这一基于铜(II)的光氧化催化平台具有广泛的适用性。除了水作为亲核试剂外，其他亲核试剂如醇、羧酸等也能成功参与反应，实现反马氏规则的杂原子-氢键加成。此外，该体系还可用于驱动烯烃的分子内环化反应，高效构建含氧杂环，进一步展示了该催化策略在合成多样化分子骨架方面的能力。
研究结论与讨论部分强调：
本研究成功开发了一种基于地球丰产铜金属的新型、高效的光氧化还原催化体系。核心创新在于发现了一类具有长激发态寿命和强氧化能力的异配体铜(II)络合物，它能够直接、高效地氧化烯烃，启动自由基链式或链传递过程。利用这一特性，研究实现了在温和、中性条件下对各类烯烃（包括此前难以实现的脂肪族烯烃）的直接反马氏规则水合反应，并成功应用于复杂分子的后期功能化。这项工作的重要意义在于：首先，它提供了一种贵金属光催化剂的可行替代方案，推动了可持续光催化的发展；其次，它解决了烯烃反马氏水合这一长期存在的合成挑战，提供了一种步骤经济、条件温和的通用方法；最后，它所揭示的铜(II)络合物的特殊光氧化性质及其催化平台，为发展更多基于丰产金属的、用于烯烃及其他底物多样化转化的光催化反应开辟了新的道路。论文所报道的方法具有操作简便、官能团兼容性好、区域选择性专一等优点，在有机合成、药物研发和材料科学等领域均展现出广阔的应用前景。
