“三头六臂”的氮杂环卡宾铱催化剂：高效催化乙二醇和甲醇选择性交叉偶联制备乳酸

本文转自x-mol
作为生物可降解塑料聚乳酸的原料，乳酸的需求量逐年递增，预计2022年其全球需求量高达4 × 105吨。除此之外，作为重要的平台分子，乳酸及其衍生物广泛应用于食品、化妆品、药物等多个领域。传统的生物发酵法不仅效率低且需要繁琐费时的分离提纯，而传统化学催化往往需要用到有毒试剂（如氢氰酸或乙醛），其供需矛盾日益突出。针对这些问题，近年来已经发展了通过渡金属催化剂催化的山梨醇（C6到C3）和甘油到乳酸（C3到C3）两种脱氢催化转化,在合成乳酸的同时高效制备清洁能源氢气。这个两种通过生物质醇通过脱氢的合成线路都涉及到两种共同中间体GAL和DH，从理论上讲也可利用更为廉价的大宗化学品乙二醇和甲醇的交叉偶联（C2+C1到C3）生成同样的中间体，进而实现乳酸高效制备。然而，乙二醇和甲醇的交叉偶联理论上也是极具挑战性，因为需要一类“三头六臂”的催化剂，不仅要可以选择性的将甲醇、乙二醇脱氢生成相应的甲醛、邻羟基乙醛，通过Aldol缩合选择性实现两者的交叉偶联还原而非自偶联、再选择性氧化成酸，而且还要避免过渡氧化、酯化、乙二醇的聚合等副反应。因此，如何通过催化剂设计增强反应的活性和选择性是实现通过甲醇、乙二醇的交叉偶联制备乳酸的关键点和难点。

图1. 乳酸催化合成途径。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

复旦大学化学系涂涛教授（点击查看介绍）等人基于金属-配体协作的理念，设计合成了新型三氮杂环卡宾铱化合物（tris-NHC-Ir）为催化剂，首次实现了乙二醇和甲醇通过脱氢交叉偶联高效、高选择性制备乳酸。在500 ppm的催化量下一小时便能完成该反应，最高取得了3660 h-1反应转化频率（TOF）。徐昕教授的DFT计算表明金属配体的协作至关重要，由于三个氮杂环卡宾配体的引入，极大提高了反应的选择性，催化剂的活性随氮杂环卡宾个数增加而增加，即mono-NHC-Ir < bis-NHC-Ir < tris-NHC-Ir。这也使得Ir3+在反应完成后更易回复到Ir+，从而有利于催化循环。

图2. 不同催化剂在乙二醇和甲醇的选择性交叉偶联制备乳酸的反应的催化活性。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

控制实验、高分辨质谱、核磁、单晶等实验结合理论计算阐明了反应机理。首先，tris-NHC-Ir上的CO解离形成配位空穴，其可催化乙二醇、甲醇脱氢形成相应的醛，同时自身从Ir(I)转变成二氢物种Ir(III)。所得醛进行交叉偶联形成中间体GAL，然后进一步在强碱性条件下通过分子内坎尼扎罗（Cannizzaro）反应转化成乳酸。

图3. a）质谱、b）1H NMR和c)单晶及可能的反应机理。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这类新型选择性交叉偶联反应原料简单易得、催化剂效率高、反应原子经济、仅有氢气作为副产物，因此具有很好的应用前景，为乳酸的绿色合成提供了新的制备途径。

这一研究成果近期作为Hot Paper发表于Angewandte Chemie International Edition，复旦大学为该论文第一单位，硕士生吴嘉杰是该论文的第一作者，涂涛教授、徐昕教授为论文共同通讯作者。本项目得到了科技部重点专项、国家自然科学基金的资助支持。