在有机合成领域，实现非活化C(sp³)−H键的选择性官能团化一直被视为挑战性的“圣杯”。这些碳氢键广泛存在于有机分子中，且其键解离自由能（BDFE）通常很高，因此传统方法往往难以直接断裂。近年来，质子耦合电子转移（Proton-Coupled Electron Transfer, PCET）因其在温和条件下激活惰性化学键的潜力而受到广泛关注，尤其在生物体系能量转换与有机合成中展现出强大能力。

图片来源：JACS

然而，尽管PCET策略在醇、胺等富氢键官能团上取得了显著进展，面对非极性、不易形成氢键的烷基C−H键，传统PCET方法的适用性仍极为有限。研究表明，这一困难部分源自反应过程中的分子性问题：三分子体系（碱、氧化剂、底物）的反应速率低、选择性差，限制了C−H键均裂（homolysis）反应的可控性。因此，如何在结构上实现碱与氧化剂的有效协同，成为突破C−H键PCET反应瓶颈的关键。

在本项研究中，Knowles课题组构建了一类全新策略：以铱(III)多吡啶配合物为平台，通过在配体上引入共价键连的羧酸基团，将质子受体（Brønsted base）与光敏氧化剂有机结合。这一“共价嵌套”的策略显著降低了PCET反应的分子性，显著提高了反应速率与选择性。该类配合物在可见光照射下激发至三重态后，展现出高达105 kcal mol⁻¹的BDFE，超越传统光催化剂，成为极具潜力的氢原子受体。

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作者设计并合成了两个代表性催化剂：IrIII-1 与IrIII-2，并系统研究了其光物理、电化学、光谱特性及其在C−H键烷基化反应中的表现。实验表明，该体系不仅能高效实现强C−H键的活化，还能在不引入额外氧化剂或还原剂的情况下完成C−H键的形成，实现光驱动下的双向PCET反应。更重要的是，该类催化剂展现出良好的底物兼容性和区域选择性，包括难以活化的立方烷（cubane）衍生物也可被官能化，反应范围广泛。

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本研究发展了一种能在温和条件下实现非活化C(sp³)−H键高效断裂与功能团引入的全新催化体系。作者设计了一类共价连接Brønsted碱基（羧酸）与强光氧化剂（Ir(III)多吡啶配合物）的单组分PCET催化剂，从分子结构上实现电子与质子转移位点的空间协同。这种结构既避免了三组分体系在反应动力学上的不利因素，也拓展了PCET策略在烷基C−H键上的适用范围。

研究采用的策略包括合成具有代表性的催化剂IrIII-1 和IrIII-2，系统考察其电化学性能（通过循环伏安）、激发态能量（通过发射光谱和激发态寿命测定）以及PCET活性（通过荧光淬灭实验和瞬态吸收光谱）。作者进一步通过密度泛函理论（DFT）与时间相关DFT（TDDFT）模拟激发态轨道，确认了关键三重态MLCT激发态的电子分布与反应机制的关系。

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同时，在模型底物（如环己烷）上开展C−H烷基化反应，探讨其催化循环中涉及的H抽取与还原过程，并对反应路径进行热力学计算分析。

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本研究在C−H活化领域实现了两项关键突破。首先，在方法论上，提出了一种结构高度集成的光激态PCET催化新范式，巧妙地将光氧化剂与Brønsted碱通过配体设计耦合于一个分子框架内，解决了以往PCET中因碱和氧化剂分散而带来的反应选择性与动力学瓶颈。这种“共价联接”理念的成功，不仅为酶催化反应提供了模型启示，也将PCET机制的适用范围扩展至惰性C−H键领域。

其次，在应用层面，所构建的Ir催化剂体系具备广泛的反应兼容性，涵盖从普通烷烃到高张力结构如cubane的C−H键。更令人兴奋的是，该类催化剂在反应中兼具H抽取与还原功能，具备实现“全流程”催化的潜力，为有机合成中的C−H键改性带来全新工具，也为未来开发高效能量转化、药物前体官能化等高附加值反应提供了方向。

标题：Iridium Polypyridyl Carboxylates as Excited-State PCET Catalysts for the Functionalization of Unactivated C–H Bonds

作者：Diego A. Granados,^†Y. Emily Du,^†Shiloh J. Andersson, Avery Cirincione-Lynch, Kai Cui,

Adam Reinhold, Philip D. Jeffrey, Gregory D. Scholes,* Sharon Hammes-Schiffer,* and Robert R. Knowles*

链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c04000