无需贵金属，铁催化剂即可实现环氧化物转化为伯醇

来源：学术经纬

近日，德国罗斯托克大学莱布尼茨催化研究所（LIKAT Rostock）的Matthias Beller教授在《自然》子刊Nature Catalysis上发表了一项关于末端环氧化物转化为伯醇的重要研究。该反应从脂肪族或芳香族环氧化物出发，借助Fe(BF4)2·6H2O/tetraphos催化体系，使用H2作为氢源对其进行氢化还原，最终能以高产率、区域选择性得到伯醇产物。

伯醇在医药、农药及精细化学品领域的角色不言而喻，其结构简式为R-CH2-OH，广泛存在于简单的小分子乃至复杂的天然产物及药物分子，一级醇羟基的高效、高选择性构建具有重要的科学意义和应用价值。

早期人们以烯烃作为原料，通过硼氢化/氧化两步得到伯醇产物，反应遵循反马氏（anti-Markovnikov）规则。然而反应过程中需要使用化学计量的硼烷，在扩大规模的工业生产中会产生大量的硼酸副产物，原子经济性不理想。除此之外，反应中还需要过量使用H2O2，同样也会带来安全隐患。另一种方法是从烯烃出发，通过氢甲酰化/还原的方式得到增加一个碳元的伯醇。这种方法在工业生产伯醇中得到广泛的应用，但通常需要高温、高压等较为严苛的反应条件，由此带来底物中敏感官能团无法兼容等局限。

▲从烯烃出发合成伯醇的方法（图片来源[1]）

另一种思路是直接从末端环氧化物出发，通过氢化还原的方式得到伯醇。此类方法最大的难点是如何控制反应的区域选择性，即仅选择性断裂环氧化物末端碳的C-O键，避免断裂其另一侧的C-O键得到仲醇。早期的方法通过Pd/C或Raney Ni等催化剂在H2还原的条件下实现这一过程，但底物的适用范围同样有限，如Pd/C催化末端环氧化物还原仅适用于芳基环氧化物，Raney Ni催化还原的反应温度及压力较高，造成官能团的兼容性差。除了异相催化的方式，人们还发展了均相催化的方法，这类反应通常借助Rh、Ru等贵金属配合物作为催化剂，反应的选择性较差，并伴随着醛、烃甚至其他低聚副产物的出现。

▲末端环氧化物氢化合成醇（图片来源[1]）

Matthias Beller教授工作的亮点在于规避了使用贵金属催化剂参与反应，而改用廉价丰富的Fe盐作为催化剂。随着过渡金属催化反应的发展，人们正大力探索第一行过渡金属参与的催化过程，使用廉价的Fe、Co、Ni等金属催化剂代替以往发展成熟的Pd、Rh、Pt等贵金属催化剂，以期降低反应成本，更好地适用于大规模的生产，此项工作正是在这一转变中更进一步。

另一方面，相比于以往发展的均相催化环氧化物的氢化还原反应，该反应具有十分优异的区域选择性，经过模板反应的条件优化，芳香族环氧化物氧化苯乙烯（1a）转化为苯乙醇（2a）的GC产率可以达到94%，脂肪族环氧化物2-丁基环氧乙烷（1b）转化为正己醇（2b）的GC产率为84%，且均未观察到另一区域异构体产生。

除此之外，该反应条件相对温和，仅需在20或40 bar H2压力下进行，反应温度为80 ℃，大部分官能团在该体系下均可稳定存在而不影响反应进行。作者也在随后的底物适用范围考察中证实了这一点，不同芳香族及脂肪族环氧化物均可顺利参与反应，其中酯基、酰氨基、烯基、酮羰基等对还原条件敏感的官能团也能稳定存在。为了展示该方法在复杂分子后期修饰中的应用，他们还选取了几种甾体、萜类及倍半萜类天然产物分子和药物分子对其环氧乙基进行氢化，也取得了满意的结果。

▲底物适用范围的考察（图片来源[1]）

▲天然产物及药物分子衍生的环氧化物的氢化（图片来源[1]）

Matthias Beller教授在催化领域的研究中做出了重要的贡献，目前其中一个重要的研究方向便是铁催化的氧化及氢化反应。该课题组发展的铁催化末端环氧化物的区域选择性氢化反应为高效、高选择性制备伯醇提供了一种重要的方法，相比于传统的转化方式，该工作在反应条件及效率上均得到了改善。

参考资料：

[1] Weiping Liu et al., (2019) Iron-catalysed regioselective hydrogenation ofterminal epoxides to alcohols under mild conditions. Nature Catalysis. DOI: 10.1038/s41929-019-0286-7