【人物与科研】清华大学刘强副教授课题组：锰催化一级醇与芳基乙醇的双脱氧偶联反应
导语
生物质资源由于具有可再生、廉价易得的特点，其催化转化近年来受到了科学家们的广泛关注。醇类分子是生物质的重要平台化合物之一，发展醇类分子的脱氧反应是一种利用生物质资源生产高能量密度燃料和基础化学品的有效途径。著名的Barton−McCombie和催化氢解等反应可以有效地实现醇类分子的单脱氧过程。如果能够直接实现两分子醇类化合物的双脱氧偶联反应在生物质转化中将具有重要的意义。这一反应过程涉及两个惰性C-O键的同时断裂无疑是非常具有挑战性的。近日，清华大学刘强副教授课题组报道了一种锰催化的一级醇与芳基乙醇的双脱氧偶联反应，通过该反应可以高效地制备烯（烷）烃化合物。相关成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.(DOI: 10.1002/anie.201809333)。
刘强副教授课题组简介
刘强副教授课题组现有博士研究生5名，博士后1名，访问学生3名。目前课题组的主要研究方向为廉价金属催化剂的设计、合成及其在绿色合成、生物质转化和高效能源转化系统中的应用等。
刘强副教授简介
刘强，清华大学化学系基础分子中心副教授、博士生导师。2007年和2012年分别在武汉大学获得学士学位和博士学位；2012年获得洪堡奖学金资助开始在德国莱布尼茨催化研究所从事博士后研究工作；2015年加入清华大学开展独立研究工作；2018年获得国家自然科学基金委优秀青年基金的资助。目前以第一作者和通讯作者发表高水平学术论文27篇（包括J. Am. Chem. Soc. 5篇，Angew. Chem. Int. Ed. 10篇以及Nature. Commun. 2篇）。所发表论文被引用2200余次，H index=23。
前沿科研成果
锰催化一级醇与芳基乙醇的
双脱氧偶联反应
醇类化合物可以通过生物质转化大量获得，是一类基础的能源小分子。刘强副教授课题组前期报道了首例廉价金属锰催化乙醇到丁醇的缩合反应（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11941），反应以92%的选择性得到丁醇，并取得了目前为止最高的催化剂转化数（TON高达11万）。该反应过程经历了乙醇催化脱氢生成乙醛，乙醛在碱的作用下发生Aldol反应生成巴豆醛，巴豆醛进一步被氢化生成丁醇的串联反应过程。如果在反应中额外引入水分子，与中间体醛发生反应生成缩醛，缩醛脱氢则可以生成羧酸。基于此，作者顺利实现了无需氧化剂参与的锰催化醇到羧酸的直接转化（Org. Chem. Fornt. 2018, 5, 1248）。
在该反应研究过程中，当使用芳基乙醇作为反应底物时，并不能得到羧酸产物，而是以10%的收率得到副产物1,3-二芳基丙烯。这一副反应在形式上实现了两分子醇类化合物的双脱氧自偶联过程，具有重要的潜在应用价值。此外，1,3-二芳基丙烯类化合物也是一种重要的有机合成中间体，可用于构筑其它各种功能分子。作者通过对反应溶剂、碱、不同催化剂等条件的系统优化，反应收率获得了大幅度提高；且该反应具有很好的底物适用性和优异的官能团兼容性（图1）。
图1. 芳基乙醇类底物的双脱氧自偶联反应
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
为了进一步拓宽反应的适用范围，作者进而研究了芳基乙醇类底物1与普通一级醇2的交叉偶联反应。通过对两种反应底物的当量控制，反应也能以中等至良好的收率得到交叉脱氧偶联的烯烃产物，尽管直接偶联产物为烯烃异构体的混合物，通过廉价金属Ni催化氢化即可将其转化为单一的烷烃产物（图2）。
图2. 芳基乙醇类底物与一级醇的双脱氧交叉偶联反应
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
作者推测，Mn催化1脱氢生成的中间体苯乙醛5a，其经历碱介导的缩合，得到最终产物2a。为了验证这一猜想，作者进行了一系列控制实验。当直接使用5a作为反应物，在不加催化剂的条件下，反应只能以50%的收率得到目标产物，远低于催化反应的收率；反应在加入催化剂的条件下也只能得到50%的收率。这说明在直接使用5a作为反应物时，催化剂不能促进反应的后续步骤转化。此外，5a的Aldol反应产生了另一种可能的反应中间体α,β不饱和醛6a，在没有Mn催化剂的情况下，反应能以84％的收率得到目标产物2a，表明6a是该反应的关键中间体（图3）。
图3. 验证反应中间体的控制实验
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
接着，作者通过动力学研究深入理解这一反应过程。在加入催化剂的反应体系中（图4a），产物缓慢地生成，GC全程没有检测到中间体5a和6a，说明催化脱氢是这个反应的决速步骤。进一步，作者在无催化剂体系中研究反应的动力学行为。在使用5a作为底物的动力学研究中，溶剂为对二甲苯，使用0.5当量的碱时，作者发现反应的起始速率大大增加，但是最终只能得到低于40%的收率（图4d）；提高碱的用量到2当量，反应能以很快的起始速率得到50%的最终收率（图4c），说明碱浓度的增加有利于提高反应的选择性和收率。当使用具有更好碱溶解性的乙醇做溶剂时，在0.5当量碱存在的条件下，反应的收率和速率均很低（图4e）；提高碱的用量到2当量，反应的收率、速率和选择性有大幅度提高（图4b）。这说明碱的浓度大大高于中间体苯乙醛的浓度时，反应才能以优异的选择性得到目标产物。在催化反应中，醇脱氢生成醛的过程是慢步骤，可以使得中间体醛缓慢释放，从而始终保证碱的浓度大大高于中间体醛的浓度。
图4. 反应的动力学研究
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
通过GC分析，作者发现这个反应只产生非常少量的CO和CO2气体，且偶联过程中减少的一个碳原子以甲酸钠的形式存在。进一步，作者进行了一系列控制实验，发现甲酸钠的脱除经历了反应中间体α,β不饱和醛异构化为β,γ不饱和醛以及烯丙基负离子中间体参与的过程（图5）。
图5. 验证甲酸钠脱除经历的控制实验
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
基于控制实验和动力学结果，作者推测出该催化反应的可能途径（图6）。首先苯乙醇1a催化脱氢生成中间体苯乙醛5a，其在碱的作用下发生Aldol反应生成α,β不饱和醛6a，6a随后异构化为β,γ不饱和醛7a；其被氢氧根进攻脱去一分子甲酸，同时生成烯丙基负离子12a；12a最后被质子化生成目标产物。
图6. 可能的反应机理
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，该论文作者为Yujie Wang, Zhihui Shao, Kun Zhang and Qiang Liu。博士研究生王玉杰和博士研究生邵志晖为共同一作。上述研究工作得到了国家自然科学基金委和广东省教育厅的经费资助。
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