第一作者：胡小松
通讯作者：孙宇杰教授
通讯单位：辛辛那提大学
论文DOI：10.1021/jacs.5c07689
有机卤化物的高效、选择性电化学加氢脱卤一直是电催化领域的一大挑战，主要受限于副反应竞争激烈、法拉第效率低以及对底物溶解性的苛刻要求。在本研究中，设计了一种双面钯膜电极（J-Pdm），可在双池体系中通过水还原直接生成并传递氢负离子（H‒）物种。该设计使得在非质子溶剂环境中实现异相H‒转移成为可能，反应速率快，法拉第效率显著优于传统电化学加氢体系和常规钯膜反应器。尤其值得一提的是，J-Pdm能高效催化非活化烷基卤化物的加氢脱卤反应，这类转化在现有电催化体系中普遍效率低下。此外，J-Pdm还可用于药物分子的位点选择性氘代，例如，使用D2O作为氘源，在克级规模上成功实现了氘代布洛芬的合成。本研究表明，J-Pdm是一个强大而多功能的平台，适用于电催化加氢、氢解及同位素标记，为传统电化学策略提供了一种有力的替代方案，并在工业和药物化学领域展现出广阔的应用前景。
加氢反应作为构建碳‒氢键的重要手段，广泛应用于医药合成、精细化工、功能分子构建等领域。近年来，H‒由于其在选择性加氢、异构体控制、同位素标记等方面的独特优势，成为加氢策略的研究热点。相较于质子-电子耦合路径或分子氢（H2）作为氢源的加氢方式，H‒介导的氢转移过程展现出更高的反应特异性，有望突破传统氢化策略在底物适应性与区域选择性方面的瓶颈。然而，H‒具有高亲核性与强还原性，在非质子溶剂中实现高效、可控地生成与转移一直是一个关键挑战。传统异相电催化加氢过程通常受限于反应条件苛刻、副反应多、底物适应性差。尽管已有研究尝试在电极表面构建活性氢源，但真正能在非质子环境中稳定生成并有效传递H‒的异相体系仍极为罕见。尤其对于未活化烷基卤代物等惰性底物的加氢脱卤反应，目前仍缺乏高效且绿色的电催化转化策略。
为解决上述难题，辛辛那提大学孙宇杰教授课题组设计并构建了一种独特的基于双腔室的双面钯膜电极（J-Pdm）。该体系在不依赖分子氢或有机还原剂的前提下，创新性地打通了“水 → 氢原子 → 氢负离子”的完整供氢通道，实现了在非质子溶剂中高效且选择性的氢负离子转移与 C–X 键活化。该方法成功推动惰性卤代物的电催化加氢脱卤反应，并可应用于药物分子的定点氘代，展现出卓越的反应普适性与体系稳定性。
1、双腔结构实现“水供氢”与“加氢反应”空间解耦：J-Pdm利用钯膜的穿氢能力，在一侧电解水生成氢原子（H*），这些氢原子可扩散穿过钯膜至非质子溶剂侧，并在适当极化电位下被进一步还原为氢负离子（H‒）。H‒随后可与卤代底物发生脱卤反应，从而有效打破传统电催化体系中供氢与加氢路径高度耦合的局限。
2、首次在非质子溶剂中“一站式”实现从水生成H‒：无需引入H2，该体系依托钯膜隔离的双腔结构，仅通过水作为氢源、电极极化控制，即可在非质子溶液中原位生成H‒，首次打通“水 → H‒”的完整路径，展现出优异的原子经济性与绿色可持续潜力。
3、高效模型反应验证异相H‒转移机制：以 BIM+为模型底物（H‒受体），生成 BIMH 的产率与法拉第效率均高达 97%，动力学分析揭示反应速率对底物浓度与产氢电流密度均呈一阶依赖，符合异相H‒转移路径的动力学特征，进一步验证了该体系所具备的“供氢–加氢”分步控制能力。
4、适用多类卤代底物，包括惰性烷基卤化物：以4-溴甲苯为代表底物，J-Pdm可在 −1.4 V（vs Fc+/0）条件下实现其高效脱卤转化为甲苯，产率和法拉第效率均超过 90%，J-Pdm在循环使用6次后性能无明显衰减，展示出良好的稳定性与实用潜力。此外，该策略亦适用于未活化烷基卤化物等惰性底物，体现出对惰性C–X键断裂的普适性。
5、药物分子的精准氘代转化：以布洛芬为模型，先引入苄位溴原子，然后通过“去溴–氘代”策略，在D2O作为氘源下，成功获得 D-Ibuprofen，产率为87%，氘结合率接近100%，为稳定、高效的同位素标记提供新方案。
图1. J-Pdm结构设计与工作原理 （a，传统电催化加氢脱卤；b，基于传统钯膜反应器（ePMR）的加氢脱卤；c，设计的J-Pdm体系）。
对于传统电化学加氢脱卤反应（图1a），通常需要施加较大阴极电位，结果导致大量氢气析出（HER），成为主要竞争反应，严重降低法拉第效率和反应选择性。而水性或质子性电解液对底物溶解和稳定性的限制也制约了反应的适用范围。图1b则展示了钯膜电极（ePMR）的经典机理，即电化学还原产生的氢原子快速吸附并穿透钯膜，迁移到另一侧参与加氢反应，钯膜内部氢原子扩散速率极高，但传统钯膜电极主要实现氢原子转移（HAT）而非氢负离子转移，导致对极性碳‒卤键的加氢脱卤效率不高。采用双面钯膜电极（J-Pdm）设计（图1c），通过将电极两侧分别连接含水和非质子溶剂的两个电化学池，一侧（HER室）电化学还原水生成氢原子并穿过钯膜，另一侧（HRR室）施加负电位促进钯吸附的氢原子还原为活性H‒，实现高效且高选择性的有机卤代物加氢脱卤，显著提升法拉第效率并拓宽了反应溶剂和底物范围。这一创新设计成功解决了传统体系的多重瓶颈，开辟了电催化加氢脱卤的新路径。
图2. 基于J-Pdm氢负离子转移的BIM+加氢动力学。
如图2所示，系统地验证了双面钯膜电极（J-Pdm）实现H‒转移的高效性能。研究以经典的H‒受体BIM+为模型底物，利用电镀在J-Pdm加氢（HRR）侧的钯纳米粒子显著提升活性面积，促进加氢反应进行。线性扫描伏安（LSV）曲线显示，随着BIM+浓度的增加，HRR室的阴极电流迅速上升并达到与HER室施加电流几乎一致的水平，表明HER侧生成的氢原子几乎全部用于BIM+的加氢。产物BIMH的生成速率与BIM+浓度及HER电流密度均呈一阶线性关系，进一步证实反应动力学的规律性。电解实验定量分析显示，BIMH的产率和法拉第效率高达97%，极大地体现了J-Pdm体系中H‒转移的高效与选择性。这些结果强有力地证明了通过J-Pdm实现的电化学H‒转移不仅高效，而且具备良好的动力学可控性和极高的电子利用率。
图3. 4-溴甲苯的加氢脱卤性能。
以对溴甲苯为模型底物，研究发现其还原生成甲苯的反应速率对底物浓度和HER室施加的电流密度均呈一阶依赖关系，表明反应遵循典型的双参数动力学（图3a–c）。在无电流通入HER室的条件下，即使在较强的阴极电位下，也无法观察到底物发生还原，证实了H‒转移是脱卤的关键路径（而非直接电子转移）。控制电解实验显示，在−1.6 V vs. Fc+/0 (6 h) 下实现了最高88%产率和近乎100%的法拉第效率（图3d），而延长电解时间至10小时，可以实现溴的完全脱除（图3e）。相比之下，传统电化学钯膜反应器（ePMR）几乎无加氢脱溴反应发生。更令人瞩目的是，J-Pdm在连续6轮电解循环中仍维持高于80%的甲苯产率，展现出良好的稳定性与可重复使用性（图3f）。
图4. 不同有机卤化物的加氢脱卤适用性。
在广泛的底物测试中，J-Pdm展现出卓越的加氢脱卤通用性与高效性（图4）。无论是芳基还是杂芳基碘/溴/氯化物，均可实现高产率与法拉第效率（最高可达近100%），即使带有供电子取代基的底物亦不受影响。更具挑战的未活化烷基卤化物也可实现高效转化，突破了传统电化学体系对其还原电位过负所造成的效率瓶颈，特别是对烷基氯的加氢脱氯，J-Pdm亦可实现88%的产率和法拉第效率。这些结果充分证明，J-Pdm是一种通用于多种卤代底物、具高度选择性与还原能力的高效加氢脱卤平台。
图5. 通过J-Pdm实现布洛芬选择性氘代。
此外，J-Pdm在药物分子选择性氘代中也极具应用潜力（图5）。以布洛芬为模型底物，设计了“两步法”策略：首先通过溴化实现苄位官能团化，随后利用J-Pdm实现高选择性的加氘脱溴反应。该反应以重水为氘源，成功将氘精准引入至布洛芬的苄位，并实现克级产物合成，产率达87%，氘结合率近100%。1H NMR、2H NMR及HR-MS分析均证实氘仅被定向引入至代谢脆弱位点，无副反应或非特异性标记，突显了J-Pdm平台在精准同位素标记及药物代谢调控方面的独特优势。
本研究通过构建双池体系，成功展示了双面钯膜电极（J-Pdm）在电驱动有机卤化物加氢脱卤反应中的广阔应用潜力。该体系通过非均相氢负离子转移机制，实现了包括非活化烷基氯化物在内的多类有机卤化物的高效加氢脱卤，拓展了氢负离子策略的适用边界。相较于传统体系，J-Pdm 在仅需较小阴极极化电位下即可获得更高的法拉第效率。同时，由于加氢室中不需引入质子源，可自由选择多种非水有机溶剂，从根本上解决了有机卤化物在水相或质子溶液中溶解性差的问题。此外，该策略还成功实现了克级氘代布洛芬的选择性合成，采用价格低廉的重水作为氘源，凸显其在工业加氢/氢解及精细化学品合成中的应用价值。未来的研究将着重拓展底物适用范围，探索对更惰性卤代底物（如氟代化合物）的适用性，为电催化加氢领域的发展提供新方向。
Xiaosong Hu, Minling Zhong, Feihu Wang and Yujie Sun, Janus Palladium Membrane Electrode Enables Competent Hydrodehalogenation via Hydride Transfer. J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c07689
The Sun Group: https://www.yujiesun.org
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