PCET反应普遍存在于化学催化、生物催化以及材料催化等领域，引起了人们广泛的研究兴趣。受启发于光合作用PS II系统酪氨酸（TyOH···His190）的氧化过程，两种PCET反应模式被广泛构筑，一种是在氧化端，通过底物（X-H键）与碱的预络合作用活化极性的X-H键并产生相应的X自由基（a）；另外一种是在还原端，通过底物（C=X键）与酸的预络合实现极性双键如羰基、亚胺的还原活化（b）。在这两种反应模式中质子给体和质子受体之间的氢键预络合作用对反应能否发生起着决定性影响。然而，以上两种反应模式用于非极性键（如C-H键、O₂和N₂）的活化时却遇到了阻碍。原因在于，这些非极性键不是好的氢键供体（或者氢键受体），无法与碱（或者酸）形成氢键，从而导致后续的PCET反应无法发生。因此对于非极性键的PCET活化，传统的反应模式将无法奏效。

于是，清华大学基础分子科学中心章名田副教授课题组利用酸和还原剂之间的弱相互作用,发展了质子给体与电子给体预络合活化非极性键的新模式，首次实现了非极性氧气分子的质子耦合电子转移（PCET）还原反应（c）。机制研究揭示了质子和电子的协同转移避免了高能中间体超氧自由基负离子的形成，从而有效降低了氧气还原的反应能垒。

该工作中，我们以NADH类似物DMBIH作为电子给体，羧酸作为质子给体，通过反应速率方程测定、核磁滴定、EPR自由基捕获、KIE以及线性自由能关系等实验详细研究了的反应机理（具体的反应路径如下图所示）。实验表明酸和还原剂之间形成的氢键络合物是氧气还原真正的活性物种，对氧气活化的动力学有着决定性影响。这种质子给体-电子给体预络合模式不同于传统的PCET模型体系，为非极性键的PCET活化提供了一种全新的策略。该工作也为命体系中非金属酶（黄素酶）还原氧气的机理研究提供一定的借鉴。

该成果近期发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 12459–12468）上，清华大学章名田副教授为通讯作者，汪雨凡博士为文章的第一作者。

论文信息：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c04467

Proton-Coupled Electron-Transfer Reduction of Dioxygen: The Importance of Precursor Complex Formation between Electron Donor and Proton Donor

Yu-Fan Wang and Ming-Tian Zhang*

J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 12459–12468.