南科大王健纯/武大戚孝天JACS：质子源调控的镍氢电催化氢化及异构化反应

导读

近日，南方科技大学王健纯课题组（实验）联合武汉大学戚孝天课题组（计算）通过“双功能配体”策略，成功构建出一套通用于烯烃、炔烃和醛类底物的电催化氢化与异构化体系，相关研究成果发表在

J. Am. Chem. Soc.

正文

氢化酶是一类存在于自然界厌氧微生物中的金属酶，能够催化氢气的可逆转化反应——既能分解氢气生成质子和电子，也能将它们重新“拼装”成氢气。在FeFe型氢化酶的活性位点中，一个“位置巧妙”的氮原子承担了关键的“质子接力”任务，协助生成金属氢（M–H）中间体。

受到这种天然催化体系的启发，能源催化领域（如析氢反应、二氧化碳还原等）近年来发展出多种仿生电催化剂：研究人员通过在金属活性位点附近引入质子接力基团，显著加速了质子-电子耦合转移（PCET）过程，从而有效提升了催化效率。

然而，在有机电合成这一方向，这类策略仍属“潜力股”，尚未被充分开发。值得注意的是，金属氢中间体不仅在能源转化中大显身手，在均相氢化与异构化反应中同样是不可或缺的“主角”，活跃在大宗化学品合成和精细化工构筑的第一线。

近日，南方科技大学王健纯课题组（实验）联合武汉大学戚孝天课题组（计算）通过“双功能配体”策略，成功构建出一套通用于烯烃、炔烃和醛类底物的电催化氢化体系。

这一体系的核心创新在于：配体上的胺基实现了“质子接力”功能，有效助力Ni–H中间体的生成与稳定，从而打通多个类型底物的选择性氢化路径。

更令人兴奋的是，该体系在烯烃反应中展现出高度的产物调控能力。研究发现，不同的质子源仿佛化身“导演”，能够精准引导反应走向不同的“剧情”：

（1）氟代醇促进双键迁移产物生成；（2）质子化铵盐则倾向于单键迁移产物；（3）羧酸则选择性地生成氢化产物

近年来，镍催化的电化学氢化因其金属廉价、条件温和、绿色可持续等优势，受到有机合成领域的广泛关注。然而，这一策略也面临一项核心挑战：Ni–H中间体在还原电位下极易“误入歧途”，导致析氢副反应，从而严重削弱反应效率。

为破解这一难题，Peters 团队率先提出了一种基于质子-电子耦合转移（PCET）的巧妙策略。在较低过电势条件下，成功生成Ni–H中间体，并有效抑制了析氢副反应，实现了对内炔的选择性半氢化。但遗憾的是，这一策略在更广泛底物中的适用性仍有限。

于是，越来越多研究者开始另辟蹊径，尝试绕过易析氢的Ni–H路径：

·Kaeffer 团队利用Ni–联吡啶络合物，设计出一条“ECEC”电化学路径，尽管对内炔有效，却仍无法适用于末端炔或烯烃。

·Anderson 团队则发展出一种配体主导的氢原子转移（HAT）机制，成功攻克端炔的氢化难题，但在其他底物上的适配性仍受限制。

·此外，付年凯团队采用弱配位配体的Ni催化体系，实现了烯烃与醛类的高效氢化。他们引入了交变极性（alternating polarity, AP）电解策略，有效防止了金属Ni在电极表面的沉积现象。

尽管前人提出了多种策略来绕开或调控Ni–H中间体，但整体而言，电化学镍催化氢化仍面临两大“老大难”：底物适用范围窄以及产物选择性难以精准控制。

那么，是否可以换个思路？如果不绕过Ni–H，而是向自然“取经”，借助仿生策略稳住Ni–H，同时调控其反应路径？

于是作者，首先设计了含有胺基侧链的配体，筛选条件时意外地发现，含氟的醇主要得到移两位的产物，质子化的胺盐主要得到移一位产物，而羧酸主要得到氢化产物。通过进一步优化，三个转化均可达到90%左右产率。

同时通过控制实验，发现侧链胺基的确可以把法拉第效率从37%提高到84%，这暗示了侧链胺基的确可以抑制析氢副反应。

这一规律背后的原理，通过DFT理论计算揭示如下：氟代醇可与Ni–H形成氢键网络，有利于内烯插入；质子化铵盐可直接质子化配体上的胺基，减缓内烯插入；羧酸则通过协同质子化去金属化路径，优先生成氢化物。

这一催化体系展现出优异的底物普适性：不仅适用于各类活化或非活化烯烃，还能高效氢化炔烃和醛类底物，同时实现单键迁移与双键迁移的灵活调控。该体系对官能团具有良好的耐受性，环氧、酚羟基、杂环等常见官能团均可顺利转化。此外，该方法可直接应用于复杂分子的选择性后期修饰。例如，可从抗癌药物Erlotinib出发，简便合成其烯基同系物：该类结构在之前往往需要从头合成。此外通过该策略，还可利用“偶联+异构化”的策略，快速构建药物Temarotene等骨架，展示了该体系在药物化学中的应用潜力。

此外，为验证Ni–H中间体的存在，开展了以下机理实验：

▶氘标记实验：在烯烃异构化过程中，产物中出现氘交换，结合交叉实验结果，表明Ni–H可解离并参与链行走。氢化反应中使用氘代乙酸时亦观察到苄位氘掺入，进一步佐证该路径。

▶自由基排除：自由基钟及清除剂实验均未观察到自由基特征，排除了自由基参与可能。

▶核磁观测：在电化学条件下，–13 ppm处出现Ni–H特征宽峰，且与NaBH₄化学还原体系结果一致，进一步印证了Ni–H的生成。

总结

总结，本研究将质子接力策略引入有机电合成领域，巧妙结合仿生配体设计与质子源调控，成功构建出一套通用于多类底物的电催化氢化与异构化体系。这一工作再次验证了电化学的“可调节性”魅力：通过配体设计与质子源调控，可以精准操控反应路径，为复杂有机转化打开全新可能。

南方科技大学为论文第一单位，王健纯研究员为第一通讯作者，武汉大学戚孝天教授为共同通讯作者。南科大硕士生宋雪、博士后黄源琼为论文共同第一作者，武汉大学赵博迪同学完成本研究的理论计算部分，吴晗硕同学为南科大本科生。

作者介绍

王健纯博士，研究员（副教授），博士生导师，课题组长。1992年出生于江苏省。2014年本科毕业于北京大学化学学院，导师为马玉国教授。 2019年博士毕业于美国芝加哥大学化学系，导师为Guangbin Dong教授。2019年至2021年在美国加州理工学院从事博士后研究，合作导师为Robert H. Grubbs教授。2021年10月加入南方科技大学，研究领域为有机电合成方向，致力于研制新型电催化材料和开发新型电催化剂来解决有机合成中的难题。

王健纯博士迄今共发表论文29篇。独立后以通讯作者发表

Nat. Catal.

J. Am. Chem. Soc.

Angew. Chem. Int. Ed.

Nat.

Chem.

J. Am. Chem. Soc.

Angew. Chem. Int. Ed.

Chem

Chem. Rev.

近期研究成果简介

课题组当前的研究围绕“氧化还原速率调控”开展，已发表三项初步成果：

（1）利用化学修饰电极解决氧化还原兼容性，实现电催化循环去消旋化；

（2）设计分子接力模式的配体，降低还原过电势，实现可调控的镍氢氢化和异构化；

（3）发现溶剂调控多步还原的选择性，实现铁催化的还原型烯丙位碳氢键胺化。课题组将长期致力于新型化学修饰电极及均相电催化剂的开发。

课题组招聘

课题组将长期聚焦于化学修饰电极与均相电催化剂的协同构建，拓展电有机合成的反应边界，欢迎具有科研热情的优秀人才加入。拟招聘有机合成背景的博士后研究人员1–2名，亦欢迎优秀本科/硕士毕业生申请研究助理岗位。（请联系wangjc3@sustech.edu.cn）

课题组主页：https://faculty.sustech.edu.cn/wangjc3/

参考文献：

1. Song, X.#; Huang, Y.-Q.#; Zhao, B.; Wu, H.; Qi, X.*;Wang, J.* "Proton-Modulated Nickel Hydride Electrocatalysis for Hydrogenation of Unsaturated Bonds and Olefin Isomerization." J. Am. Chem. Soc.2025, DOI: 10.1021/jacs.5c03821.

2. Qi, S.#; Yin, D.#; Hu, L.; Huang, C.; Xie, R.; Lu, G.*;Wang, J.* "Iron-Catalyzed Reductive Allylic C−H Amination of Olefin with Nitroarenes via Intermolecular Nitroso Ene Reaction." Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202504750.

3. Zhu, C.-J., Yang, X.,Wang, J.*“Electrocatalytic Cyclic Deracemization Enabled by a Chemically Modified Electrode” Nat. Catal.2024, 7, 878-888.