上海有机所黄正团队：双烷基炔烃的高效顺式转移氢化反应——催化剂作为颜色指示剂

导读

顺式烯烃是一类重要的有机合成中间体，炔烃的顺式半氢化是合成顺式烯烃的重要方法，但该方法往往会存在烯烃的顺反异构及过度还原等问题。另一方面，传统的炔烃氢化过程需要使用氢气为氢源，而转移氢化反应则可以避免氢气的使用，为实验和生成过程提供便利。尽管使用林德拉催化剂能够实现对于多种炔烃的顺式半氢化反应（图1A），但发展操作简便、新型、高效的炔烃顺式转移氢化反应具有重大研究意义。

乙醇具有良好的溶解性、可再生性和生物相容性等优点，是理想的氢气替代品。近年来，以醇为氢源的炔烃顺式半氢化反应已有报道（图1B），但这些报道中均需要炔烃底物中含有芳环等取代基，对于纯烷基取代的炔烃则活性较低。2021年，黄正团队报道了使用含有吡啶边臂的(PCN)IrHCl络合物催化的以乙醇为氢源的炔烃顺式半氢化反应（图1C）。该反应经由铱单氢过程，选择性控制较好，但反应需要较长的时间，尤其对于双烷基炔烃底物而言需要数天时间才能实现较好的转化。2019年，黄正团队报道了催化剂作为反应颜色指示剂的策略实现了对于双芳基取代炔烃的反式半氢化反应（Nat. Catal.2019, 2, 529-536）。

基于上述工作，黄正团队近期发展了新型的含有卡宾边臂的铱配合物，成功实现了以乙醇为氢源的双烷基炔烃的顺式半氢化反应。在该过程中，催化剂在炔烃存在时主要以炔烃-铱配合物为催化剂的备用状态，且该物种呈紫色，当炔烃完全消耗时，催化剂会快速转变为黄色的脱羰物种而使得反应液的颜色由紫色变为黄橙色。这种清晰的颜色变化使得反应能够被及时终止，从而极大程度地减少烯烃顺反异构及过度还原等副反应的发生（图1D）。

图1. 研究背景及反应设计

作者首先以十二碳-2-炔1a作为模板底物对反应的最优条件进行了筛选（图2）。确定反应的最优条件为使用Ir6作为催化剂，以叔丁醇钠作为活化剂，以乙醇作为氢源及溶剂，在75℃下反应2.5分钟能够以当量的产率，98:2的Z/E选择性得到目标顺式烯烃产物。

a) Conditions: 1a (0.25 mmol), Ir cat. (5.0 μmol), NaOtBu (11 μmol), EtOH (1.0 mL) at 75 °C. “t” was the time needed for the color change. The conversion and yields were determined by GC. b) No obvious color change. c) The conversion and yields in parentheses were obtained at 10 min. d) Color changed from tangerine to yellow. e) Color changed from brown to yellow. f) At RT. g) Without NaOtBu. h) tBuNH2 instead of NaOtBu.

图2. 反应条件优化

接着，作者对于反应的底物适用范围进行考察（图3），发现大部分炔烃底物均能在3分钟以内完成转化。该催化体系展现出良好的官能团耐受性，多种活性官能团如酯基、酮基、羟基等均不会对反应产生明显影响。如图3A所示，含有1,1二取代双键底物1d及1,2二取代双键底物1e在反应中双键均不受影响；含有配位活性的吡啶基团底物1r在反应过程中并不会影响颜色变化。含卤代芳环的底物能以很高的产率和选择性得到顺式烯烃 (1aj-1al)。对于含有大位阻取代基的底物1an以及叔醇底物1ao而言，该催化体系也展现出优于林德拉催化剂的活性及选择性（图3B）。对于一些含有复杂分子结构的底物而言，该催化体系也能够很好的兼容（图3C）。一些无法兼容的底物如图3D所示：对于烷基卤代烃1av及1aw而言，反应会产生脱除卤化氢的烯烃产物；底物1ax反应体系复杂；底物1ay则没有发生转化。

图3. 底物适用范围考察

对反应机理的研究表明如图4所示，反应过程中催化剂的备用状态为炔烃与一价铱的加和物B6，该物种呈现出紫色，当反应体系中的炔烃消耗完全时，该物种则会变为脱羰的物种C6（图4A，B）。使用异丙醇为氢原进行反应时，反应液在4.5分钟时由紫色变为红色，并且若继续延长反应时间至10分钟则会得到完全的烷烃产物；使用乙醇为氢原时，反应液的颜色会在2.5分钟由紫色变为黄橙色，此时能够取得最高的顺式选择性，进一步延长反应时间至4.5分钟时，反应顺式选择性下降至82/16，此时反应液呈现出淡黄色，若进一步延长反应时间至10分钟，产物的选择性没有变化（图4C）。以上现象说明，红色的物种可能是催化过程中的活性物种，而黄色的脱羰物种不具有异构及氢化活性。进一步对该催化活性物种的研究表明，红色的物种D6在氢谱中具有两组负氢，这说明D6有可能是二聚体{[(PCiPrCNHC)Ir]H2}2。

图4. 反应机理研究

最后，作者基于上述实验提出了反应可能的催化循环（图5）。当反应体系中存在炔烃时，催化剂的备用状态为催化循环外的炔烃配位的紫色铱物种B6，该物种可以生成14电子的催化活性物种E6。随后E6与乙醇发生氧化加成，β-H消除得到铱双氢物种G6，G6容易二聚生成D6，G6进一步与炔烃反应得到相应的烯烃产物并重新得到E6。当体系中的炔烃消耗完全时，E6会与体系中的乙醛反应生成黄色的脱羰物种C6，该物种不具有异构及氢化活性。

图5.可能的催化循环

综上所述，黄正团队发展了一种利用催化剂作为颜色指示剂的策略，实现了双烷基取代炔烃的顺式半氢化反应，以优异的选择性和产率得到了一系列顺式烯烃。在该策略中，反应过程中明显的颜色变化使得反应能够被及时终止以获得高的顺式选择性，同时避免副产物的生成。

这一研究成果近期发表在Sci. China Chem.上。详细内容见：Li Z, Liu G, Huang Z. Highly efficient and cis-selective semihydrogenation of dialkyl alkynes with EtOH enforced by a catalyst-state induced color-change strategy. Sci China Chem, 2024, 67, https://doi.org/10.1007/s11426-024-2311-6。

来源：中国科学化学