华中科技大学唐从辉课题组JACS：多相铁催化烯丙位碳氢键氧化

导读

近期，华中科技大学化学与化工学院唐从辉研究员课题组的最新研究成果“Sustainable Aerobic Allylic C-H Bond Oxidation with Heterogeneous Iron Catalyst”在国际顶级期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上刊发。

正文

碳氢键氧化是一类广泛存在于有机转化和生物体系中的基本反应，其中烯丙位碳氢键氧化生成烯酮的反应由于烯烃原料易得且烯酮产物具有重要价值而受到了广泛关注。传统的烯丙位碳氢键氧化制备烯酮需使用高价Cr、二氧化硒等当量的环境不友好型氧化剂，随后也陆续发展了基于催化量金属（Cr, Rh, Ru, Pd）搭配过氧叔丁醇作为氧化剂的体系，以及电催化和光催化体系。从绿色可持续的角度而言，发展温和条件下空气作为氧化剂、催化剂可循环利用的烯丙位氧化反应是非常值得期待的。唐从辉课题组致力于基于廉价金属催化的均相、多相及单原子催化体系开发（J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 10.1021/jacs.3c12688; J. Am. Chem. Soc.2023, 145, 4142–4149; Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202314708; Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202314364; Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202303433; J. Catal.2022, 416, 170–175; Org. Chem. Front.2022, 9, 4554–4560）。本工作中，唐从辉课题组报道了一种稳定、可循环的多相铁催化剂用于烯丙位氧化制烯酮，使用空气或氧气作为氧源，并且对催化反应机理进行了详细研究（图1）。下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。

图1. 多相铁催化剂催化烯烃烯丙位氧化反应（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

本研究所用到的多相铁催化剂采用前期发展的煅烧策略制备而成（C. Tang, M. Beller, et al. Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 16616-16620），并测试了不同金属前体、配体、载体的催化剂的反应效果，并对优选的催化剂进行了一系列表征（图2，a-h）。结果表明该催化剂是以Al2O3为载体，同时存在FeNx活性中心物种，及铁氧化物（氧化铁，四氧化三铁）的纳米催化剂。

图2. 多相铁催化剂的表征（来源：J. Am. Chem. Soc.）

确定了优选的催化剂后作者继续进行了条件优化的步骤，并针对部分不同结构的底物优化了更适用的反应条件。由于许多天然产物分子含有烯烃官能团，因此作者除了考察简单的烯烃分子之外，还考察了许多类型的天然产物分子（甾体、萜类等）在该反应体系下的反应效果（图3）。其中不乏许多具有经济价值的天然产物分子（2c，2u等）。结果表明对于大部分的天然产物分子及简单结构的烯烃，该氧化方法均能达到适中至优秀的反应结果。对于部分底物，作者还标注了其与一些传统氧化方法的产率比较。

图3. 底物范围（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

为了评估该催化剂的稳定性，作者对反应后的Fe(1)-phen(2)@α-Al2O3-700催化剂进行了循环回收实验，经过9次循环后，反应效率都没有发生明显的下降（图4，A）。另外，对于反应中使用的NHPI也能实现较高效率的回收。在克级以至10克级放大实验中，催化效率亦保持良好。此外，在进一步降低铁催化剂的用量，并适当延长反应时间后，反应仍能保持较稳定的产率（图4，C）。对于有潜在药用价值的产物2w，作者还进行了衍生化实验，合成其他有价值的结构（图4，D）。为了考察反应的绿色经济性，作者以α-蒎烯的氧化反应为对象，考察了本文工作和其他几篇代表性的烯丙位氧化工作的反应质量效率，碳经济性，原子经济性，和E-Factor等绿色化学指标（图4，E），体现了本文工作的优异的绿色可持续性。

图4. 循环实验、克级实验、产物转化及绿色化学指标比较（图片来源： J. Am. Chem. Soc. ）

为了了解催化机理，作者开展了一系列机理实验（图5）。通过控制实验和不同煅烧温度下催化剂的XPS的比较，作者揭示了一种可能的FeNx物种形成的路线（图5，A）。为了了解催化剂中FeNx物种和铁氧化物对反应的贡献，作者进行了酸蚀实验和KSCN中毒实验，表明了两者均对反应有贡献，但FeNx物种占主要地位（图5，C，D）。在自由基捕获实验中，作者成功检测到了烯丙位自由基的加合物（图5，E）。另外，还通过了氧气标记实验，证明了反应以分子氧为氧化剂（图5，F）。最后，综合机理实验结果，作者提出了可能的机理路线（图5，G）。

图5. 反应机理研究（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结

综上所述，本文开发了一种低成本的纳米铁催化剂用于重要的烯丙位C-H氧化反应，并在效率、可持续性和选择性方面比现有的许多方法有显著的优势。该方法底物范围广，适用于许多天然产物结构分子，深入的机理研究也确定了催化活性物种及机理路线。

华中科技大学唐从辉研究员为通讯作者，华中科技大学硕士生姜毅杰为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（22001086、22371083）、中央高校基本科研业务费（HUST 2020kfyXJJS094）、北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室（K202011）的资助。感谢北京大学焦宁教授对氧同位素标记实验的帮助，以及华中科技大学李明浩教授对于绿色化学指标计算的指导。

课题组介绍

华中科技大学化学与化工学院唐从辉研究员，2011年本科毕业于华中科技大学，2011-2016年在北京大学直接攻读博士学位（导师：焦宁教授），随后在德国和美国的知名高校、研究所进行博士后研究(导师：Matthias Beller, David Sarlah, Liming Zhang)，2020年回国作为课题组长开展独立研究。

课题组主要从事过渡金属催化、均相和多相催化、绿色及仿生有机合成研究。目前已发表高水平SCI期刊论文35篇，总计他人引用次数4300余次。以通讯作者、第一作者发表的顶级期刊论文包括J. Am. Chem. Soc.（3篇），Angew. Chem. Int. Ed.（7篇）, Chem. Rev.（1篇），Chem. Soc. Rev.（1篇）等。相关成果被Angew. Chem. Int. Ed.，Synfact, Synform 等杂志报道或亮点评述。担任J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., Green Chem., Chem. Commun., Org. Lett. 等国际知名期刊的审稿人。申请中国发明专利3项、已授权1项。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，参与重点项目；作为项目骨干参与国家重点研发计划课题。获评华中学者、湖北省百人计划、武汉英才、北京市自然科学奖一等奖（5/8）,Reaxys PhD Prize等荣誉。

更多详情请见课题组主页：https://www.thetanglab.com/

文献详情：

Sustainable Aerobic Allylic C-H Bond Oxidation with Heterogeneous Iron Catalyst

Yijie Jiang, Sanxia Chen, Yuangu Chen, Ailing Gu, andConghui Tang*

J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 10.1021/jacs.3c12688.

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.3c12688

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