不对称阴离子导向光氧化还原催化实现烯烃的区域和立体选择性环丙烷化

研究人员针对金属卡宾介导的烯烃环丙烷化反应中区域选择性控制难题，开发了一种基于不对称阴离子导向光氧化还原催化（ACPC）的无金属策略。通过设计含硫杂蒽鎓光氧化还原阳离子和手性亚氨基二磷酰亚胺（IDPi）阴离子的离子对催化剂，实现了苯乙烯和脂肪族二烯与重氮烷烃的高对映选择性环丙烷化（>99:1 er），解决了多烯底物的化学选择性问题，为天然产物修饰提供了新工具。

　　

环丙烷作为最小的环状烷烃，不仅是高张力活性中间体，更是众多天然产物和生物活性分子的核心骨架。传统合成依赖于金属卡宾与烯烃的加成，尽管铜、铑等手性金属配合物和工程化金属酶能实现高立体控制，但对非活化烯烃的普适性及多烯底物的区域选择性仍是悬而未决的挑战。特别是像菊酸这类含多个双键的天然产物前体，现有方法常需过量底物克服选择性难题。

马克斯·普朗克研究所的Benjamin List团队另辟蹊径，提出无需金属卡宾参与的有机催化新策略。其核心在于利用光激发阳离子催化剂产生烯烃自由基正离子，通过与手性阴离子的静电作用控制立体化学。这种不对称阴离子导向光氧化还原催化（ACPC）机制，为碳碳键构筑提供了全新思路。

研究团队采用三大关键技术：1）离子对催化剂设计，通过硫杂蒽鎓光敏单元与IDPi阴离子的组合实现氧化还原与手性控制双功能化；2）低温（-100°C）光反应体系抑制副反应；3）波长调控策略，发现黄光照射可使对映选择性从80%ee提升至97%ee。

反应开发
通过系统筛选IDPi阴离子的3,3'位取代基，发现螺环芴基修饰的IDPi-F催化剂在CH₂Cl₂/戊烷混合溶剂中表现最优，以>20:1的非对映选择性和99:1 er获得反式茴香脑环丙烷化产物。降低催化剂负载至0.5 mol%仍保持高转化率，证实催化效率。

底物拓展
该体系兼容各类官能团：3-乙基茴香脑（3b, 99%ee）、OTBS保护烯烃（3d, 97:3 er）、杂环烯烃（3g-h）等均获优异结果。对于氧化电位较高的中性苯乙烯，改用红光激发的吖啶鎓催化剂5（E_ox=2.04 V）仍保持高选择性（3i-j, >95%ee）。值得注意的是，2,5-二甲基己二烯（1t）选择性生成菊酸衍生物3t（无需过量底物），水解后直接获得手性菊酸（3u），为杀虫剂合成提供捷径。

机理研究
荧光猝灭实验证实烯烃1a在470 nm激发下优先与催化剂作用，而重氮酯2a在350 nm处通过能量转移参与副反应。晶体结构（CCDC 2429976）确证产物绝对构型，结合波长依赖性实验，提出分步机制：光激发催化剂产生烯烃自由基正离子，与IDPi阴离子形成紧密离子对控制立体化学，最终经电子转移闭环。

这项研究突破了传统金属催化局限，通过ACPC策略实现了自由基正离子的立体控制，为复杂烯烃的精准修饰开辟新途径。其创新性体现在：1）首次实现非活化烯烃的无金属高对映选择性环丙烷化；2）解决多烯底物的区域选择性难题；3）发现波长可调的对映选择性现象，为光催化机理研究提供新维度。该成果发表于《Nature Catalysis》，不仅补充了现有合成方法学，更为生物活性分子构建提供了绿色高效的替代方案。