【有机】JACS : 氢原子转移协同催化的烯烃氢化反应
氢原子转移（HAT）是自由基反应中的关键基本步骤。HAT引发的反应一直是现代合成方法设计的主要内容，目前主要运用于锰、铁、钴、铬和钒等催化的加氢芳构化和加氢胺化反应中。特别是在烯烃自由基加氢反应中，由于具有操作简便以及与有机金属方法互补等优点，其成为了合成复杂分子的强大工具。Nishinaga首先提出金属催化早期金属氢化物中的氢原子转移（mHAT）（Figure 1，section a）。Shenvi和Herzon利用锰和钴进行了自由基加氢反应（Figure 1，section b），充分利用了TBHP和mHAT的相容性，为其自由基机理提供了有力的证据。然而，这些mHAT方法除了需要甲硅烷基氢化物源外，还需要化学计量的TBHP（Figure 1）。而TBHP是一种强氧化剂，在高温下会不受控制地分解。最近，美国莱斯大学的Julian G. West课题组实现了协同氢原子转移（cHAT）进行烯烃还原的双重催化策略。通过使用氢化物和质子作为氢原子源，两种HAT催化剂协同催化实现烯烃的还原。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.0c09544）。
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
首先，作者对反应进行设计，通过设计催化机理来消除化学计量的过氧化物。作者在反应中引入催化剂B-H，在第二个HAT步骤原位生成当量氧化剂，可以消除外加氧化剂。这种被还原的氧化剂还会与质子结合生成第二个氢原子源，从而实现氢原子转移进行烯烃还原的双重催化策略（Figure 2）。
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
随后，作者采用4-苯基-1-丁烯（1）为模板底物进行条件优化（Table 1）。通过对催化剂、添加剂等反应的优化，作者确定了反应的最优条件为：Fe(acac)3和PhSH为催化剂，PhSiH3和EtOH为氢源，EtOH为溶剂，底物于23 ℃下反应26 h，可以93%的分离收率得到目标产物。
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
确定优化条件后，作者对底物的耐受性进行考察（Table 2）。端基烯烃、1,1-和1,2-二取代以及三取代的脂肪族烯烃是该反应的优势底物。该反应可以耐受各种官能团，包括酯、酰胺、腈、醚，甚至游离醇。值得注意的是，乙烯基卤化物也可以还原且不会发生脱卤副反应。除此之外，该方法以较高的非对映选择性得到热力学产物。
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
紧接着，作者做了克级规模实验。在优化的条件下，烯烃21在1 g规模上的氢化反应非常顺利，以98％的收率得到产物8（Figure 3）。
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
最后，作者对反应的机理进行了研究。作者发现该方法不适用于苯乙烯底物（Table 3），并通过对比实验发现反应放热对反应的顺利进行起关键作用（Figure 4）。
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
作者对自由基中间体进行了检测，只要20 mol％的TEMPO就能完全抑制该反应（Table 4）。TEMPO不仅可以阻止反应的开始，而且可以在反应进行3小时后阻止。作者还采用乙烯基环丙烷底物28探索了还原烯烃底物时生成的烷基自由基中间体（Table 5）。
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
作者提出反应的催化循环如Figure 6所示，并分别对反应的步骤A和B（第一氢原子的来源）（Figure 7）、步骤B和C（乙醇在催化循环中的作用）（Table 6）、步骤C（硫醇在铁循环中的作用）（Figure 8-11）以及步骤D和E（第二氢原子的来源）（Figure 7）进行实验验证。
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）
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小结：Julian G. West课题组使用氢化物和当量质子作为氢原子源，两种HAT催化剂可以协同催化以实现烯烃氢化反应。对该方法的初步研究表明，通过使用氢化物中的两个电子，可以消除自由基加氢过程中的化学计量氧化剂。