羧酸的脱羧烯化反应的协同贱金属催化

《ACS Catalysis》：Cooperative Base-Metal Catalysis for Decarboxylative Olefination of Carboxylic Acids

　　

协同催化系统将贱金属自由基生成与过渡金属介导的反应性相结合，为化学合成提供了机会，但设计这些系统仍然具有挑战性，因为它们需要不同金属域之间有效的氧化还原通信。在此，研究人员报道了一个协同Fe/Co催化平台，用于在光照下直接进行羧酸的脱羧烯化反应。该反应将铁介导的配体到金属电荷转移（LMCT）自由基生成与钴催化的脱氢相结合，将多种羧酸（包括工业相关的脂肪酸和复杂的生物活性衍生物）转化为烯烃。动力学、光谱、自旋捕获和DFT研究支持一种共生途径，其中DBU既作为布朗斯特碱，又作为连接铁和钴循环的氧化还原活性介体。这项工作确立了协同Fe/Co催化作为区别于传统外球光氧化还原催化的内球域，并为相互依赖的贱金属自由基催化提供了设计原则。

羧酸作为丰富的可再生碳源，其直接脱羧烯化是合成烯烃的理想途径。然而，传统光氧化还原催化多依赖铱、钌等贵金属催化剂，通过外球电子转移活化羧酸，存在可持续性差、难以规模化以及不耐受光氧化还原敏感官能团等问题。替代的贱金属体系在外球光催化中受限于激发态寿命短，效率不高。自然界则采用内球激活路径，使底物直接与金属配位，并通过多种金属中心的协同催化实现复杂转化。受此启发，基于铁的配体到金属电荷转移（LMCT）自由基生成策略逐渐兴起，但将其整合到协同多金属催化系统中仍未被充分发展。因此，设计相互依赖的贱金属自由基催化系统具有重要意义。

研究人员报道了一种协同Fe/Co催化平台，在390 nm光照下实现羧酸的直接脱羧烯化。该反应将铁介导的LMCT自由基生成与钴催化脱氢结合，可将包括脂肪酸、氨基酸衍生物、复杂天然产物衍生物在内的多种羧酸转化为烯烃。通过动力学、光谱、自旋捕获及DFT计算，研究人员揭示了DBU作为布朗斯特碱和氧化还原活性介体的共生催化机制。这项工作确立了Fe/Co协同催化作为区别于传统外球光氧化还原的内球反应模式，为相互依赖的贱金属自由基催化提供了设计原则。论文发表在《ACS Catalysis》。

研究人员通过系统筛选铁盐、钴催化剂和碱确定了最佳反应条件；采用变量时间归一化分析（VTNA）测定反应级数；运用紫外-可见光谱和电子顺磁共振（EPR）监测Fe/Co物种变化，并用DMPO自旋捕获自由基中间体；DFT计算用于评估氧化还原电势和过渡态结构。底物范围研究考察了多种羧酸，包括饱和及不饱和脂肪酸、氨基酸衍生物和天然产物衍生物。样本均来自商品化原料，未提及队列来源。

研究结果：

一、反应条件优化。通过系统筛选，确定了Fe(NO₃)₃·9H₂O/Co-1/DBU/二氯乙烷/390 nm为最优条件，产率80%。碱的选择至关重要：用DABCO代替DBU产率降至50%，其他无机和有机碱基本无效；减少DBU用量也降低产率，说明DBU并非单纯作为碱。铁盐中硝酸铁优于氯化铁、硫酸铁和三氟甲磺酸铁；用铈盐代替铁盐无反应。钴催化剂Co-1最佳，Co-2和Co-3也有效但产率较低。

二、化学选择性。与传统Ir/Co光氧化还原条件对比，Fe/Co体系能将含富电子芳环的羧酸和带有N,N-二烷基苯胺基团的苯丁酸氮芥转化为烯烃，而Ir/Co体系不能，体现了内球LMCT路径的独特反应性。

三、底物范围。该体系适用于多种伯、仲羧酸。简单N-羟基邻苯二甲酰亚胺衍生的伯羧酸得到烯烃2a,2e,2f，产率58–80%；氨基酸衍生物Boc-Glu-OMe得到2g（48%）。甾体衍生物（脱氢胆酸、石胆酸、脱氧胆酸）得到2h–2j，产率52–58%。饱和脂肪酸（C14、C16、C18）高效转化为末端烯烃（75–67%）；不饱和脂肪酸（油酸、亚油酸、亚麻酸）以及含末端烯烃的十一碳烯酸、含二炔的10,12-二十五碳二炔酸均耐受。仲羧酸如N-邻苯二甲酰亚胺保护的氨基酸衍生物给出2e和2t（82–84%），N-酰基氨基酸得到2u（78%，E/Z=70:30）。环状仲羧酸得到2w（70%）。天然产物衍生物如双氢青蒿酸、异甜菊醇和奎尼酸分别得到2x、2y和2z，产率56%、68%和78%。含有游离巯基的半胱氨酸和三苯甲基保护的组氨酸衍生物不反应。

四、机理研究。VTNA动力学显示反应对羧酸和DBU为0级，对铁为约1.25级，对钴为1级，表明两种金属均参与周转。紫外-可见光谱观察到Fe^III-羧酸盐在340 nm处的LMCT吸收，光照后出现365 nm吸收并衰减，加入1,10-菲咯啉出现Fe(phen)₃²⁺特征吸收，证实Fe^II生成。EPR检测到g=4.3的高自旋Fe^III信号，光照后减弱；同时检测到g=2.00的有机自由基。DMPO捕获实验得到碳自由基加合物。加入DBU后，Fe^III信号恢复，并检测到DBU衍生的氮中心自由基，表明Fe^II被DBUH⁺氧化。钴肟研究表明，光照Co-4产生Co^III-H，加入DBU后Co^II信号增强，说明DBU促进Co^II再生。DFT计算支持这些氧化还原过程，并确定了Co^III-H去质子化后SET再生Co^II的路径。基于上述证据，研究人员提出以下机理：Fe^III-羧酸盐经LMCT激发产生羧酸根自由基和Fe^II，快速脱羧生成烷基自由基；Fe^II被DBUH⁺氧化回Fe^III；烷基自由基与Co^II可逆结合成烷基-Co^III