氮杂环卡宾铱催化一级醇脱氧偶联制备烷烃

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近日，复旦大学涂涛课题组在ACS Catalysis上发表题为“NHC-Iridium-Catalyzed Deoxygenative Coupling of Primary Alcohols Producing Alkanes Directly: Synergistic Hydrogenation with Sodium Formate Generated in Situ” 的研究论文。该文章通过新颖的双氮杂环卡宾铱催化剂实现了一级醇脱氧偶联直接高效、高选择性制备烷烃。该体系的巧妙之处在于反应中脱羧生成的甲酸钠可进一步脱氢，协同催化烯烃到烷烃的氢化，从而保证了反应选择性，提高了烷烃产物的产率。

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研究背景

以廉价的生物质醇为原料通过催化转化制备高值化精细化学品、燃料、功能化材料等是近年来研究的热点和难点。其中，使用一级醇作为起始原料一步直接高选择性制备长链烷烃极具吸引力，不仅能实现醇的升级而且是一种高效构筑C-C键的绿色方法。这一转化极具挑战性，需要经过脱氢、缩合、脱氧、加氢等多步一锅串联反应，因此通常需要两种及以上催化剂的协同催化，在单一催化剂作用下仅能实现醇的自偶联。如何在单一催化剂作用下实现醇的高效、高选择性交叉偶联是目前研究的难点，催化剂的设计合成至关重要。

课题组长期致力于高效氮杂环卡宾金属催化剂的设计合成及其在资源小分子高值化转化中的应用。在前期工作中，作者利用氮杂环卡宾铱催化剂已实现了乙二醇和甲醇交叉偶联高选择性制备乳酸（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10421）、山梨醇脱氢偶联制备乳酸（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 13871）、醇的高效β-甲基化反应（Sci. China Chem., 2021, 64, 1361-1366）等。本文中，涂涛课题组通过单一氮杂环卡宾铱催化剂，实现了低催化量下一级醇自偶联、交叉偶联高选择性、定量制备烷烃，底物普适性广，催化效果明显优于其他含膦铱、钌催化剂。机理研究表明，这主要归功于该催化体系能够对反应中脱羧生成的甲酸钠进行进一步脱氢，为最后一步加氢过程提供了充足的氢源，保证了反应的选择性，避免了烯烃副产物的生成。该成果近期发表于ACS Catal. 2021, 11 ,10796-10801。

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本文亮点

新型多功能双氮杂环卡宾铱催化剂；

一级醇高选择性直接制备烷烃；

广泛的自偶联、交叉偶联底物普适性；

脱羧产物甲酸钠的协同氢化。

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图文解析

▲图1. 催化剂筛选

▲图2. 一级醇脱氧自偶联底物拓展

通过对催化剂的筛选，作者确定了双氮杂环卡宾铱化合物5c作为反应的优势催化剂，以2-苯乙醇为模板底物的条件下，产率和选择性可以同时达到定量。如图2所示，对不同芳基乙醇底物普适性进行了考察，除了位阻对该反应的产率和选择性有所影响外，其他各类吸电子、给电子、杂环底物均有着良好的普适性。

▲图3. 一级醇脱氧交叉偶联底物拓展

 接下来，作者尝试了更具有挑战性的两分子不同一级醇之间的交叉偶联反应。在该催化体系下，不同的芳基乙醇、氨基醇、以及拓展到C6-C12的直链烷基醇，均能高选择性的完成到对应烷烃的转化，实现碳链的增长。

▲图4. 控制实验

 作者设计了一系列控制实验对反应机理进行了探究。根据文献报道以及控制实验a)，作者检测到了甲酸钠的生成，证明了脱氧过程通过脱羧的形式实现，而进一步，在加入催化剂5c后，在不存在其他氢源的情况下，烯烃向烷烃发生了转化，同时甲酸钠的量有所减少，证明甲酸钠在该催化体系下能够完成脱氢，控制实验b)进一步证明了该观点。控制实验c)表明在不存在aldol缩合原位生成的水的条件下，脱羧机理无法实现，此时发生脱羰生成CO。而在标准反应条件下，由于原位生成的水的存在，仅有甲酸钠和氢气的生成而没有CO，证明了标准反应条件下反应是通过脱羧机理进行的，甲酸钠的存在为烯烃进一步氢化成烷烃提供了额外氢源，保证了反应的选择性。

▲图5. 可能的反应机理

 综上所述，作者认为，反应首先在铱催化剂的作用下，两分子醇分别脱氢得到对应的醛，催化剂转化为铱氢物种；随后两分子醛在碱性条件下完成aldol缩合脱水得到不饱和烯醛；后者在叔丁醇钠和原位生成的水共同作用下完成脱羧，得到甲酸钠和烯烃中间体。而甲酸钠同样能够在铱催化剂作用下脱氢。两部分分别产生的铱氢物种协同作用，共同完成了烯烃到烷烃产物的氢化。

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总结与展望

本文中，作者实现了醇类化合物一步到长链烷烃的催化转化，该催化体系有着极高的反应选择性和底物普适性。同时，反应中脱羧生成的甲酸钠同样能够协同参与脱氢，保证了产物到烷烃的转化。这一反应也为未来生物质醇的高值化转化和精细化工产品的构建提供了更多的可能性。

来源： 研之成理