諾獎得主，再發Nature：金屬光氧化還原α-消去法解鎖卡賓的反應性

諾獎得主，再發Nature：金屬光氧化還原α-消去法解鎖卡賓的反應性

一、【科學背景】

控制高能化學中間體，如：卡賓、類卡賓、碳負離子、碳正離子、自由基等，在有機合成領域備受關注。然而，獲得這些中間體需要多種具有高能基態的活性起始材料，這限制了官能團的相容性，特別是在復雜的合成目標背景下。幸運的是，光氧化還原催化利用可見光進行反應性轉換，將穩定的起始物質轉化為活性自由基。金屬光氧化還原催化可以通過過渡金屬交叉偶聯與這些自由基中間體結合在一起，為有機催化的進一步研究提供了巨大的可能性。相比之下，盡管卡賓和類卡賓在化學鍵形成中具有類似的能力，但由于試劑安全問題，這些方法往往令人望而卻步，限制了它們在合成中的廣泛應用。

二、【創新成果】

基于上述挑戰，近期美國普林斯頓大學David W. C. MacMillan教授團隊研究了基于可見光介導的策略，利用鐵-卡賓反應性，使用現成的化學原料作為自由基來源，并從六類先前未充分開發的離去基團中消除σ鍵，從而為應對卡賓介導的化學多樣化的挑戰提供了一個通用的解決方案。

具體來講，研究人員選擇α-乙酰氧基羧酸，因為羧酸容易形成自由基。研究人員選擇鐵卟啉作為金屬支架來評估自由基結合和α-消除性。鐵表現出與烷基自由基的金屬化反應性，可以很容易地促進α-的消除，這種狀態可以用光催化劑來控制，該過程中，環丙烷化被選為模型反應，以獲取假定的卡賓中間體的證據，具體的反應過程以及原料見圖1。進一步對反應條件進行優化后，研究人員鑒定出六種不同的能夠作為卡賓前體的離去基的存在，這證明了鐵卟啉α-消除對廣泛的離去基能力的耐受性，并提供了一種獲取卡賓中間體的模塊化策略。

圖1 金屬卡賓形成示意圖；? Springer Nature Limited 2024

隨后，研究人員在優化環丙烷化條件后，繼續探索了羧酸和烯烴的范圍。結果表明，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對象，多種氨基酸以及衍生物亦是可行的卡賓前體。研究人員很高興地發現，可以使用自由基前體和烯烴偶聯對象的多種變體來獲得多種環丙烷化支架。隨后，研究人員進一步探索了上述模式是否可以擴展到羧酸衍生的其他自由基前體，并取得了良好的研究效果。

圖2 條件優化及反應適用性；? Springer Nature Limited 2024

圖3 反應模型的適用性； ? Springer Nature Limited 2024

該研究展示了一種新穎的金屬光氧化還原策略，用于形成卡賓中間體，該策略打破了傳統研究的局限性，相關研究以“Unlocking carbene reactivity by metallaphotoredox α-elimination”為題發表在國際頂級期刊Nature上，引起了相關領域研究人員熱議。

三、【科學啟迪】

綜上所述，研究人員公開了一個概念性的新平臺，通過鐵催化和光氧化還原催化的合并有效地獲得卡賓中間體。該方法克服了使用傳統方法獲取卡賓中間體的固有局限性，通過環丙烷和σ鍵插入可獲得多種支架，證明了該方法的實用性。該研究提出的策略預計將吸引學術界和工業界的實踐者，因為它是一種新的卡賓生成機制，也是一種利用卡賓反應性來提高分子復雜性的強大合成工具。

文獻鏈接：Unlocking carbene reactivity by metallaphotoredox α-elimination，2024，https://doi.org/10.1038/s41586-024-07628-1）

本文由LWB供稿。