丙二烯是一类重要的不饱和化合物，在有机合成、药物和材料科学领域受到越来越多的关注。由于它们具有两个正交 π 键，因此具有多个反应位点，这使得它们能够经历比烯烃和炔烃更丰富的化学转化。鉴于丙二烯的结构特点，亲核加成通常发生在丙二烯的缺电子中心碳原子上。
鉴于此，
南开大学
朱守非副校长团队
报道了
一种铁催化的末端丙二烯的烯基锌化反应，该反应表现出异常的区域选择性，其中有机锌试剂的亲电锌部分被掺入丙二烯的缺电子中心碳原子上
。这种烯基锌化反应表现出
广泛的官能团兼容性以及优异的区域和立体选择性
。利用这种方法，他们获得了
顺式-1,4-二烯基锌试剂及其相应的多取代1,4-二烯衍生物
，众所周知，通过常规途径制备这些衍生物非常困难。机理研究表明，
丙二烯碳的亲电性的意外逆转是通过Fe(0)通过π反向键合将电子捐赠给丙二烯而实现的，从而导致观察到的异常区域选择性。
相关研究成果以题为“Iron-catalysed alkenylzincation of allenes via electrophilicity reversal”发表在最新一期《Nature Catalysis》上。Jun-Jia Chen为本文一作。
【末端丙二烯的催化烯基锌化】
作者提供了传统碳锌化和新开发的铁催化烯基锌化的比较框架（图1）。联烯的一般碳金属化机理，其中金属物质(M)优先附着在末端碳上，如图1a所示。其次，还可以使用铑催化剂进行碳锌化的现有方法，产生常规区域选择性，亲核试剂附着在中心碳上（图1b）。作者展示了
本研究开发的铁催化烯基锌化反应，该反应通过促进中心碳的亲电附着而违背了传统的选择性规则
（图1c）。作者发现
铁催化剂促进了区域选择性逆转
。反应
以高效率（>80%产率）和选择性（>95:5区域异构体比率）
进行。可
耐受多种底物，确保适用于复杂的有机合成。
图 1. 末端丙二烯的催化烯基锌化
【单取代和双取代的丙二烯的底物范围】
作者进一步单取代和双取代的丙二烯的底物范围（图2），证明了铁催化反应的稳定性。其中，
单取代的丙二烯：
反应在脂肪族和芳香族丙二烯中有效进行。醚、卤素、酯、氰基、羟基和磺酰基等功能基团不会阻碍反应。适应不同的立体环境，包括二级烷基。产量始终保持在80%以上，区域选择性比率超过95:5。其次，
对于双取代的丙二烯：
对称和不对称双取代的丙二烯都能有效反应。催化剂可区分小的空间差异，有利于单一区域和立体异构体。即使使用空间位阻底物，也能观察到高区域和立体选择性（通常>95:5比率）。
图 2. 单取代和脱取代的Allenes的底物范围
【取代的烯基锌试剂的底物范围】
作者探讨了可参与反应的烯基锌试剂的多样性（图3）。
（1）β-单取代的烯基锌试剂：
一级和二级烷基取代的烯基锌试剂反应平稳。芳基取代的烯基锌试剂可提供出色的结果，π-π 相互作用可能稳定过渡态。
（2）β,β-二取代的烯基锌试剂：
这些试剂反应性较低，但仍可提供所需产品，立体选择性略低。总的来说，
具有不同电子环境的反应仍然表现出高区域和立体选择性。π-π堆积相互作用可以增强芳基-烯基锌试剂的选择性。
图 3. 取代烯基锌试剂的底物范围
【铁催化末端丙二烯乙烯基锌化的合成应用】
该方法的合成应用展示了巨大的商业前景，强调了
大规模合成和产品转化
。首先，对于
克级反应，即使在大规模（高达6mmol）下，反应仍保持其高产率（94%）和选择性（>95:5区域异构体比）
。将
催化剂负载减少到0.1mol%仍可使反应有效进行
。对于
1,4-二烯基锌试剂的功能化：锌中间体的各种转化产生取代的1,4-二烯。
例子包括卤化、亲电取代和交叉偶联反应（例如，Negishi与芳基卤化物的偶联）。这些转化使得
能够获得结构复杂的二烯基序，这在制药和材料科学中很有价值。
图 4. 铁催化末端丙二烯乙烯基锌化的合成应用
【机理研究】
作者进行了对反应途径和区域选择性起源的机理研究（图5）。自由基捕获实验表明，
反应不通过自由基中间体进行。
化学计量研究表明，
Fe(0)物种负责催化
。然后利用DFT计算，计算研究证实，
Fe(0)通过π反向键与丙二烯相互作用。电荷和键长分析表明，铁配位会反转丙二烯碳的亲电性，从而解释观察到的区域选择性
。最后，作者提出了可能的机制：
Fe(II)还原为Fe(0)引发催化。Fe(0)物种与丙二烯配位，产生三元铁碳中间体。由于亲电性反转，烯基锌加成优先发生在中心碳上。配体交换释放产物，再生活性铁物种。
图 5. 机理研究
【总结】
本文
实现了铁催化剂诱导的丙二烯亲电性逆转，以实现高度区域和立体选择性的烯基锌化反应，从而生成具有异常区域选择性的1,4-二烯锌产物
。产物易于发生各种转化，促进C–C、C–卤素和C–S键的构建，最终生成一系列难以通过其他合成方法获得的功能化1,4-二烯。机理研究的结果表明，
Fe(0)强大的电子给体能力通过π反向键合激活双键，并且配位原子的亲电性可以通过来自铁原子的不同电子给体来逆转
。这种创新方法对于1,4-二烯的合成很有价值，并且可作为选择性调控丙二烯亲核加成反应的一个例子。
【作者简介】
朱守非
，
南开大学化学学院教授，长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家万人计划领军人才，国家重点研发计划项目负责人，现任南开大学副校长、研究生院院长
（兼）。2000年和2005年在南开大学化学学院分别获得理学学士和理学博士学位；2012‒2013年在日本东京大学做博士后；2005年至今在南开大学化学学院工作，2013年晋升为教授。长期从事催化有机合成化学研究，提出了“手性质子梭”概念，发现了催化硼氢键插入反应，发展了多种开壳层铁催化剂，实现了多种重要功能分子的高效合成。迄今发表研究论文140余篇。曾获国家自然科学一等奖（2019年，第3完成人），科学探索奖（2022年），中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖（2022年）等学术奖项。
