摘要：水是理想的氢气和氧气来源，因其丰富、清洁且可再生的特性，已成为化学转化中的研究热点。近年来，水被广泛应用于还原和氧化反应中，其中水作为氢源或氧源的研究取得了显著进展。然而，当前研究多集中于将水作为单一的氢源或氧源，这种方法存在资源利用效率低、废物生成较多等问题

研究背景

水是理想的氢气和氧气来源，因其丰富、清洁且可再生的特性，已成为化学转化中的研究热点。近年来，水被广泛应用于还原和氧化反应中，其中水作为氢源或氧源的研究取得了显著进展。然而，当前研究多集中于将水作为单一的氢源或氧源，这种方法存在资源利用效率低、废物生成较多等问题。因此，将水同时作为氢源和氧源引入同一分子，既能提高原子经济性，又能减少废物排放，成为一项亟待解决的挑战。

成果简介

为了解决这一问题，以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）Yaoyu Liang, Jie Luo，David Milstein等在Nature Catalysis期刊上发表了题为“A hydrogenative oxidation strategy for the single-step synthesis of lactams from N-heteroarenes using water”的最新论文。科学家们提出了一种创新的氢化氧化策略，利用水作为氢气和氧气的双重来源，从而实现了N-杂环化合物的直接合成内酰胺。

该策略采用了基于哌啶的铑夹心复合物，能够有效平衡氢化和脱氢过程，在低氢气压力或催化量氢气的条件下，实现了多种N-杂环化合物的高效转化。此方法不仅消除了对额外还原剂和氧化剂的需求，还显著减少了废物的生成，具有较高的原子经济性和环境友好性。

研究亮点

（1）实验首次提出了氢化氧化策略，利用水作为氢气源和正式氧化剂，成功实现了从N-杂环化合物直接合成内酰胺。

（2）实验通过使用基于哌啶的铑夹心复合物，平衡了氢化和脱氢过程，达到了高效的转化效果，且无需额外的还原剂和氧化剂。

（3）该反应可在低氢气压力或催化量氢气下启动，实现了多种N-杂环化合物的高产率转化为内酰胺，展示了广泛的底物适应性和优异的产物收率。

（4）实验结果表明，反应过程中水不仅作为氢源，还充当氧化剂，极大提高了反应的原子经济性和可持续性，避免了废物生成。

图1: N-杂芳烃的氢化氧化。

图2: 喹啉催化氢化氧化条件优化。

图3:N -杂芳烃催化氢化氧化的底物范围。

图4:活性催化剂的研究。

图5:喹啉氢化氧化的机理研究。

结论展望

总之，本文开发了一种原子经济且环保的氢化氧化反应，能够在单步合成六元内酰胺的过程中，从N-杂环化合物出发，无需使用计量化学试剂。水作为可持续的正式氧化剂，为N-杂环化合物的去芳构化提供氢源。多种内酰胺在高产率下合成，展示了广泛的底物范围和良好的功能基团兼容性。该反应的实用性通过合成生物活性化合物和成功开展克级反应得到了进一步验证。

全面的机理研究，包括对照实验和DFT计算，表明反应的成功依赖于原位生成的、基于哌啶的铑夹心复合物，它有效地平衡了催化氢化和脱氢过程。我们相信，这项工作不仅将促进有价值分子的合成，还将激发利用水作为绿色试剂设计其他氢化氧化反应的思路。

文献信息

Liang, Y., Luo, J., You, C. et al. A hydrogenative oxidation strategy for the single-step synthesis of lactams from N-heteroarenes using water. Nat Catal (2025). https://doi.org/10.1038/s41929-024-01286-2

来源：华算科技