钴催化的α-蒎烯氧化物选择性异构化：一种制备芳香萜类化合物的途径

《Journal of Catalysis》：Cobalt-catalyzed selective isomerization of α-pinene oxide: A route to fragrance terpenoids

生物可再生单萜通过钴催化异构化与乙酰化联用制备高值精细化学品，使用[HCo(CO)?]作为Br?nsted酸催化剂在p- cumene溶剂中实现84%产率的trans-香芹酮合成，并进一步一步制得trans-香芹酮乙酸酯。该方法具有操作温和、溶剂绿色、催化剂 earth-abundant 等特性。

　　本研究聚焦于通过可持续催化方法对生物可再生萜烯进行价值转化，探索其在高附加值精细化学品合成中的应用。α-蒎烯氧化物作为一种高度灵活的中间体，已被广泛用于多种萜烯衍生物的合成，包括莰烯醛、反式香茅醇、反式索伯醇、蒎烯等。然而，目前对于α-蒎烯氧化物的异构化反应，特别是在催化条件下获得反式蒎诺卡韦醇（一种与香料相关的萜烯醇）的效率仍存在一定的局限。本文提出了一种新的催化策略，利用钴基催化剂，在温和条件下实现α-蒎烯氧化物的高效异构化，并进一步将其与乙酰化反应结合，形成一个一体化的合成流程，从而获得反式蒎诺卡韦醇乙酸酯。

钴基催化剂因其资源丰富、成本低廉、对环境友好等优势，近年来在催化领域受到了越来越多的关注。特别是在绿色化学理念的推动下，非贵金属催化剂被广泛研究，以替代传统的贵金属催化剂，如铂、钯等。钴的前驱体Co?(CO)?在合成中被广泛使用，尤其是在大型规模的加氢酯化反应中，用于生产表面活性剂和增塑剂。然而，Co?(CO)?在催化反应中的应用往往需要较高的反应温度和压力，以确保其转化为具有催化活性的[HCo(CO)?]物种，并防止其分解为金属钴。这种条件虽然有效，但对工业应用来说可能不够经济和环保。

为了解决这一问题，研究者们尝试在更温和的条件下实现[HCo(CO)?]的稳定生成。例如，Zhang等人通过动力学数据和原位红外光谱研究发现，在140°C和30 bar的合成气（CO/H?）条件下，[HCo(CO)?]可以保持稳定。这一发现为后续研究提供了重要的理论支持。此外，Gusevskaya等人也报道了在温和条件下，通过简单的磷氧化物促进Co?(CO)?转化为[HCo(CO)?]，并实现其在60-80°C和20-40 bar的合成气条件下的稳定。这些研究表明，钴基催化剂在绿色化学中的应用潜力巨大。

在本研究中，我们进一步探索了[HCo(CO)?]在α-蒎烯氧化物异构化反应中的作用。通过优化反应条件，包括温度、压力、溶剂和催化剂的种类，我们成功实现了α-蒎烯氧化物在温和条件下向反式蒎诺卡韦醇的高效转化，产率达到84%，这是目前报道的催化条件下最高的产率之一。此外，我们还开发了一种一体化的两步反应流程，将α-蒎烯氧化物的异构化与后续的乙酰化反应结合，从而直接获得反式蒎诺卡韦醇乙酸酯，这一化合物也是常见的香料成分，具有较高的应用价值。

在催化反应过程中，[HCo(CO)?]表现出类似于布朗斯特酸的特性，能够促进环氧化物的开环反应。通过原位生成[HCo(CO)?]，我们能够实现对α-蒎烯氧化物的高效异构化。反应体系中，p-甲基苯乙烯作为溶剂，不仅提供了良好的反应环境，还符合绿色化学的原则。此外，我们还发现，反应的产物分布和选择性可以通过调节催化剂的酸性位点（如布朗斯特酸与路易斯酸的比例）以及反应介质的碱性和极性进行调控。例如，在极性碱性溶剂中，反式香茅醇的产率显著提高，而在非极性溶剂中，莰烯醛的产率则相对较高。

值得注意的是，目前关于α-蒎烯氧化物异构化反应的研究主要集中在传统的路易斯酸催化体系，如基于Zr(Ti)-NDC的金属有机框架（MOFs）或金纳米颗粒负载在TiO?上的催化体系。然而，这些方法在催化条件下获得反式蒎诺卡韦醇的产率普遍较低，通常在5-31%之间。相比之下，本研究中通过[HCo(CO)?]的催化作用，实现了反式蒎诺卡韦醇的高效合成，这一成果为后续的香料和精细化学品合成提供了新的思路和方法。

在实际应用中，α-蒎烯氧化物的异构化反应不仅具有重要的工业价值，还涉及多个步骤的优化和调控。例如，反应的温度和压力需要精确控制，以确保[HCo(CO)?]的稳定性和催化活性。此外，溶剂的选择也对反应的效率和选择性产生重要影响。p-甲基苯乙烯作为一种绿色溶剂，不仅具有较低的毒性，还能够提供良好的反应环境，符合现代化工对可持续性的要求。

从合成的角度来看，反式蒎诺卡韦醇乙酸酯的合成不仅提高了反应的效率，还简化了合成流程。通过将异构化和乙酰化反应整合在一个反应体系中，我们能够在较短的时间内获得目标产物，而无需额外的步骤和纯化过程。这种一体化的合成策略不仅提高了反应的经济性，还减少了反应过程中产生的废弃物，进一步增强了其在工业应用中的可行性。

此外，本文还探讨了催化剂的种类和反应条件对产物分布的影响。例如，通过改变催化剂的酸性位点，可以显著影响α-蒎烯氧化物的异构化路径。在路易斯酸催化体系中，α-蒎烯氧化物的异构化主要生成莰烯醛，而在布朗斯特酸催化体系中，反式香茅醇的产率则显著提高。这种选择性的调控为合成多种萜烯衍生物提供了重要的理论依据。

在本研究中，我们不仅实现了α-蒎烯氧化物的高效异构化，还成功将其与乙酰化反应结合，形成一个完整的合成流程。这一方法在实际应用中具有较高的可行性，能够满足工业生产对高产率、高选择性和环境友好性的要求。同时，通过使用资源丰富的钴基催化剂，我们能够减少对贵金属催化剂的依赖，从而降低生产成本，提高资源利用率。

综上所述，本研究通过探索钴基催化剂在α-蒎烯氧化物异构化反应中的应用，成功实现了反式蒎诺卡韦醇的高效合成，并进一步将其与乙酰化反应结合，形成一个一体化的合成流程。这一方法不仅提高了反应的效率和选择性，还符合绿色化学的原则，为未来的香料和精细化学品合成提供了新的思路和方向。此外，本研究还强调了催化剂种类和反应条件对产物分布的重要影响，为后续的催化研究提供了理论支持和实践指导。