研究背景

碳阴离子作为有机合成中的重要中间体，因其能够迅速多样化分子片段而受到广泛关注。然而，传统的金属化有机试剂在生成碳阴离子时存在安全性、废金属盐产生以及对低价金属还原剂的依赖等问题，限制了其在精细化学品、制药和先进材料生产中的应用。

为了解决这些挑战，科学家们开始探索催化方法以实现碳阴离子的生成，尤其是从sp³杂化烷基骨架中生成碳阴离子的策略。尽管过去的研究中已经提出了几种有效的催化生成羰基等效物的方法，但它们的适用性通常受到限制，无法实现更广泛的官能团安装。

成果简介

近期，澳大利亚墨尔本大学Milena L. Czyz，Anastasios Polyzos等在“Nature Catalysis”期刊上发表了题为“Photocatalytic generation of alkyl carbanions from aryl alkenes”的最新论文。

研究者们提出了通过对芳香烯烃进行单电子还原来生成烷基碳阴离子的新方法。这一策略利用多光子光氧化催化，能够在室温下实现烷基碳阴离子的生成，并与羰基亲电体进行分子间C-C键形成反应。

该方法的关键在于控制生成烯烃双极性自由基阴离子中间体，该中间体能够通过亲核加成和动力学优先的还原极性交叉生成第二个可用于进一步多样化的碳阴离子。通过开发与芳香烯烃的四种不同分子间C-C键形成反应（如氢醇化、氢酰胺化、氨基烷基化和氨基羧烷基化），该研究展现了新方法在生成复杂分子骨架中的广泛潜力，为未来的有机合成提供了新的思路。 值得注意的是，5天前，墨尔本大学Anastasios Polyzos教授团队报道了通过电化学诱导的C-C π键的还原活化，简单烯烃、杂芳烃和未活化的脂肪醛之间的偶联。这种方法是基于发现了快速交替极性（rAP）电解，以获得和直接来自共轭烯烃和杂环化合物的高反应性自由基阴离子中间体。

研究亮点

1. 实验首次通过多光子光氧化催化实现了从芳香烯烃中生成烷基碳阴离子，展示了烷基碳阴离子在分子间C-C键形成反应中的潜力。 2. 实验通过对芳香烯烃进行单电子还原，生成烯烃双极性自由基阴离子中间体。该中间体随后经历亲核加成，经过动力学优先的还原极性交叉，成功产生了第二个碳阴离子。 3. 此方法有效地与羰基亲电体反应，开发了四种不同的分子间C-C键形成反应，分别是氢醇化、氢酰胺化、氨基烷基化和氨基羧烷基化，生成了一系列具有复杂结构的有价值骨架。

图文解读

图1: 烷烃碳负离子反应性概念的发展。 图2: 烯烃-醛偶联反应。 图3: 机理研究。 图4: 烯烃光氧化还原催化的加氢酰胺化。 图5:烯烃光氧化还原催化的氨基烷基化。 图6: 胺范围。 图7:机理研究。 图8: 烯烃氨基烷基化的合成应用。

结论展望

本文的研究揭示了一种新颖的可见光光催化策略，用于从烯烃中获取潜在的烷基负离子等价物。这种方法不仅简化了反应过程，还提供了一种优雅的途径来选择性地功能化弱亲核性烯烃，与传统的光还原方法相比，具有更强的还原环境。

通过生成烯烃自由基阴离子，并与碳电试剂发生亲核加成，最终生成可被质子源淬灭的烷基负离子，该机制的可控性为合成多种醇、酰胺、胺及氨基酸等产品奠定了基础。

这项研究展示了如何将烯烃重新构想为烷基二负离子合成块的潜力，预示着未来在烯烃的氢化及双功能化策略中的广泛应用，尤其是这一策略使得利用可见光催化进行合成复杂中间体或目标分子成为可能，而无需使用化学还原剂。这不仅为有机合成领域提供了新的技术路径，也拓展了烯烃功能化的应用范围，对未来的合成化学研究具有重要的意义。

文献信息

Czyz, M.L., Horngren, T.H., Kondopoulos, A.J. et al. Photocatalytic generation of alkyl carbanions from aryl alkenes. Nat Catal (2024). https://doi.org/10.1038/s41929-024-01237-x