诺奖得主，再发Nature：金属光氧化还原α-消去法解锁卡宾的反应性

诺奖得主，再发Nature：金属光氧化还原α-消去法解锁卡宾的反应性

一、【科学背景】

控制高能化学中间体，如：卡宾、类卡宾、碳负离子、碳正离子、自由基等，在有机合成领域备受关注。然而，获得这些中间体需要多种具有高能基态的活性起始材料，这限制了官能团的相容性，特别是在复杂的合成目标背景下。幸运的是，光氧化还原催化利用可见光进行反应性转换，将稳定的起始物质转化为活性自由基。金属光氧化还原催化可以通过过渡金属交叉偶联与这些自由基中间体结合在一起，为有机催化的进一步研究提供了巨大的可能性。相比之下，尽管卡宾和类卡宾在化学键形成中具有类似的能力，但由于试剂安全问题，这些方法往往令人望而却步，限制了它们在合成中的广泛应用。

二、【创新成果】

基于上述挑战，近期美国普林斯顿大学David W. C. MacMillan教授团队研究了基于可见光介导的策略，利用铁-卡宾反应性，使用现成的化学原料作为自由基来源，并从六类先前未充分开发的离去基团中消除σ键，从而为应对卡宾介导的化学多样化的挑战提供了一个通用的解决方案。

具体来讲，研究人员选择α-乙酰氧基羧酸，因为羧酸容易形成自由基。研究人员选择铁卟啉作为金属支架来评估自由基结合和α-消除性。铁表现出与烷基自由基的金属化反应性，可以很容易地促进α-的消除，这种状态可以用光催化剂来控制，该过程中，环丙烷化被选为模型反应，以获取假定的卡宾中间体的证据，具体的反应过程以及原料见图1。进一步对反应条件进行优化后，研究人员鉴定出六种不同的能够作为卡宾前体的离去基的存在，这证明了铁卟啉α-消除对广泛的离去基能力的耐受性，并提供了一种获取卡宾中间体的模块化策略。

图1 金属卡宾形成示意图；© Springer Nature Limited 2024

随后，研究人员在优化环丙烷化条件后，继续探索了羧酸和烯烃的范围。结果表明，由α-乙酰氧基羧酸生成的苯基和烷基碳烯都是有效的研究对象，多种氨基酸以及衍生物亦是可行的卡宾前体。研究人员很高兴地发现，可以使用自由基前体和烯烃偶联对象的多种变体来获得多种环丙烷化支架。随后，研究人员进一步探索了上述模式是否可以扩展到羧酸衍生的其他自由基前体，并取得了良好的研究效果。

图2 条件优化及反应适用性；© Springer Nature Limited 2024

图3 反应模型的适用性； © Springer Nature Limited 2024

该研究展示了一种新颖的金属光氧化还原策略，用于形成卡宾中间体，该策略打破了传统研究的局限性，相关研究以“Unlocking carbene reactivity by metallaphotoredox α-elimination”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

综上所述，研究人员公开了一个概念性的新平台，通过铁催化和光氧化还原催化的合并有效地获得卡宾中间体。该方法克服了使用传统方法获取卡宾中间体的固有局限性，通过环丙烷和σ键插入可获得多种支架，证明了该方法的实用性。该研究提出的策略预计将吸引学术界和工业界的实践者，因为它是一种新的卡宾生成机制，也是一种利用卡宾反应性来提高分子复杂性的强大合成工具。

文献链接：Unlocking carbene reactivity by metallaphotoredox α-elimination，2024，https://doi.org/10.1038/s41586-024-07628-1）

本文由LWB供稿。