专栏名称: 研之成理

夯实基础，让基础成就辉煌；传递思想，让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流，旨在创建属于大家的科研乐园！主要内容包括文献赏析，资料分享，科研总结，论文写作，软件使用等。科研路漫漫，我们会一路陪伴你！

姜雪峰/王明Angew | 无光无金属，脱羧新手段

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2020-03-19 08:30

正文

▲第一作者：李亚萍;通讯作者：王明，姜雪峰

通讯单位：华东师范大学

论文DOI：10.1002/anie.202001589.

全文速览

华东师范大学姜雪峰小组 报道了一种脱羧多组分交叉偶联的新模型。有意思的是，该工作使用工业漂白剂保险粉作为引发剂和单电子还原剂，首次实现了无过渡金属或光催化剂的脱羧反应。

背景介绍

羧酸一直是一类十分重要而广泛存在的有机化合物，在自然界中形式多样，更在人类社会的化学化工产业链中扮演举足轻重的作用。这样一个稳定的有机官能团，安全易得，因此由羧基转化为其他高附加值精细化学品是合成化学中一种重要的转化。但传统脱羧通常需要高温条件，或者当量的铜或银等贵金属催化剂，大大地限制了该思路的广泛工业化应用。

羧酸衍生出的 N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯（氧化还原酯）由于可以很好的降低C-COOR键的活化能，能够在温和条件下发生羧基的脱除，因此受到了有机合成化学家们广泛的关注：美国Scripps的Phil Baran小组利用镍的单电子催化性质提供一个电子给羧酸衍生的氧化还原酯来引发脱羧；英国Bristol 大学的 Varinder Kumar Aggarwal小组利用光催化也可实现氧化还原酯的脱羧；德国TUB的Martin Oestreich 小组则利用钴催化剂，通过向氧化还原酯提供单电子引发脱羧；瑞士 EPFL 的胡喜乐小组在钌光敏剂条件下，光催化介导氧化还原酯的脱羧；加拿大Alberta大学的Rylan Lundgren小组利用一价铜的单电子氧化还原性质实现了脱羧反应；日本 Hokkaido 大学的 Hirohisa Ohmiya小组使用NHC卡宾催化剂产生Breslow中间体向氧化还原酯提供单电子引发羧酸酯断裂释放CO ₂ , 得到烷基自由基。

目前运用该类活性酯构建化学键已经取得了一系列的进展，包括利用光催化实现C-N键、C-B键、C-O键的构建，利用金属催化剂完成C-C (sp ³ )键、C-C(sp ² )键、C-Si键的构建（图1）。通常，该类脱羧过程通常需要过渡金属催化剂或光催化剂诱导单电子转移来实现脱羧。

▲（图1）

研究出发点

他们设想，通过Lewis与氧化还原酯中羰基的配位作用，降低氧化还原酯HOMO能量，同时又找到了连二亚硫酸钠（又名保险粉），工业上大量易得的漂白剂，它结构中SO ₂ 的 π ⁴ ₃ 双自由基被屏蔽在另一个 SO ₂ Na结构里，可以作为单电子还原剂，可以通过向羧酸衍生物转移单电子来引发、介导脱羧（图2）。这样就避免了传统当量金属还原试剂的使用，实现经济适用、环境友好的转化目标。正是基于这样的思路，他们首次实现了连二亚硫酸钠介导的脱羧反应，实现了无光、无金属催化的新型绿色脱羧过程。

▲（图2）

图文解析

当使用不同的无机硫盐作为脱羧引发剂时，他们发现焦亚硫酸钠和DABCO等SO ₂ 等当体均不能实现脱羧，进一步说明了他们设想的连二亚硫酸钠的“面具”效应在脱羧过程中具有独特的单电子还原传递能力（图3）。

▲（图3）

实现了这一反应的广谱转化之后，他们通过完善的机理研究清晰地描述了该脱羧反应的过程。首先，他们向体系中加入自由基捕获剂TEMPO，发现反应完全被抑制，从而说明了自由基中间体存在的可能性（eq.1）。然后,他们将含有环丙烷的羧酸酯在标准条件下反应，得到了环丙烷开环成烯烃的脱羧产物（eq.2），从而找到了反应体系中羧基端形成烷基自由基的证据。

最后，不同反应组分的动力学实验被统计了出来，羧酸酯的浓度对反应速率有较大的影响，证实了脱羧步骤是一级反应。而连二亚硫酸钠、亲电试剂和碱的浓度对反应速率几乎没有影响，它们均是零级反应。这些实验很好证实了反应中脱羧过程为速率决速步（图4）。

▲（图4）

基于以上的机理研究，它们列出了如图5所示的完整反应机理：首先，保险粉通过自由基均裂产生了两分子二氧化硫自由基负离子；其中一分子作为单电子还原剂诱导羧酸酯脱羧产生大位阻的烷基自由基，该脱羧步骤中，Lewis酸氯化锌通过与羰基化合物配位降低酯的活化能，来协助脱羧；随后，大位阻的烷基自由基又与另一分子的二氧化硫自由基负离子偶联得到亚磺酸中间体；最后，与亲电试剂的烷基亲核取代获得大位阻砜类化合物。

▲（图5）

总结与展望

该工作报道了一种脱羧多组分交叉偶联的新模型。使用工业漂白剂保险粉作为引发剂和单电子还原剂，首次实现了无过渡金属或光催化剂的脱羧反应。连二亚硫酸钠在反应体系中扮演着多重身份，即作为二氧化硫源又作为脱羧的自由基引发剂，还作为绿色还原剂。通过 Lewis酸添加剂与氧化还原酯的羰基配位作用，降低氧化还原酯HOMO能量，从而协助无机盐介导脱羧的顺利进行。机理实验证明脱羧过程为速率决速步。该无机盐连二亚硫酸钠介导的脱羧方法将为廉价高效的羧酸转化带来新的手段。

研之成理各版块内容汇总：

1. 仪器表征基础知识汇总

2. SCI论文写作专题汇总

3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总

4. 理论化学基础知识汇总

5. 催化板块汇总

6. 电化学-电池相关内容汇总贴

姜雪峰/王明Angew | 无光无金属，脱羧新手段

正文

请到「今天看啥」查看全文