论文DOI：10.1021/acscatal.1c04354作为一类受到广泛关注的化合物，α-羟基酸片段普遍存在于生物活性分子、药物、可降解聚合物等中。工业上通常通过氰化、氯化、氧化等多步反应来合成，不但受限于芳基底物，而且往往会涉及多类有毒有害试剂以及苛刻的反应条件，因此亟需寻找一种绿色有效高效的制备方法。由于一级醇能够在相应的催化剂存在下通过脱氢策略制备相应的羧酸，受此启发，我们有可能可以利用廉价的邻二醇通过脱氢制备α-羟基酸。这一设想不仅原子利用率高，而且除产物α-羟基酸外仅有副产物氢气和水的生成，符合绿色高效高值化的理念。然而如何高效实现邻二醇的选择性脱氢以及抑制二醇可能产生的副反应（如自缩合、酯化、聚合等）的发生仍然是极具挑战性的。复旦大学涂涛课题组长期以来致力于高效氮杂环卡宾金属催化剂的设计、合成及其在资源小分子高值化转化研究。在前期工作中，作者利用氮杂环卡宾铱催化剂已实现了乙二醇和甲醇交叉偶联高选择性制备乳酸（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10421）、山梨醇等生物质多醇选择性脱氢制备乳酸（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 13871）、醇的高效偶联制备烷烃反应（Sci. China Chem. 2021, 64, 1361-1366）等。本文中，涂涛课题组通过使用氮杂环卡宾铱的单分散自负载催化剂，有效的防止了非活性铱的多聚物的生成，实现了各类二醇到相应α-羟基酸的选择性定量转化。在扁桃醇到扁桃酸的转化中，该单分散固体催化剂能够循环利用20次以上，没有明显选择性和产率的降低。通过控制实验以及DFT计算发现与常规醇脱氢到酸机理的不同之处在于，该反应首先在催化剂的作用下选择性脱除了二醇的α-羟基氢，之后在空气中氧气的作用下发生进一步通过β羟基氢的氧化反应得到对应的α-羟基酸。该成果近期发表于ACS Catal. 2021, 11, 12833-12839。1.水相空气氛下的高原子经济性的绿色高效高值转化；2.全新的脱氢、氧化接力反应机理，底物普适性好，适用于多类芳基、烷基邻二醇的高值转化；3.单分散自负载催化剂能有效解决均相易失活的问题，并可循环使用多次，具有好的产业化应用前景。通过对催化剂的筛选（图1），作者发现均相双氮杂环卡宾铱化合物8在反应中有着一定的催化反应活性但易失活。在此基础上，通过自负载策略合成了一系列单分散自负载氮杂环卡宾铱催化剂9，有效抑制均相催化剂因多聚而导致的失活。以自负载氮杂环卡宾铱9a为催化剂，以苯基乙二醇为模板底物，可以定量的产率和选择性实现扁桃酸的制备。同时该单分散固体催化剂能够循环使用20次以上，没有明显选择性和产率的降低。如图2所示，新发展的催化体系对不同芳基、烷基邻二醇底物的普适性具有很好的普适性，对于各类吸电子、给电子、不同位阻大小以及杂环底物度能起到良好的优秀的选择性和产率。接下来，以产物扁桃酸为原料通过酯化、取代、环化的策略以中等到优秀的产率制备了各种不同类型的药物分子（图3），进一步说明了产物α-羟基酸的广阔应用前景。通过进一步的控制实验以及DFT计算，作者对反应机理进行了深入探究。控制实验a)、b)表明催化剂对α位上的羟基进行了选择性脱氢，控制实验c)进一步证明了10c为反应中间体，且氧气在该反应体系中至关重要，这点在相应的d) DFT计算中得到了证实，中间体10c更易发生热力学有利的氧化反应而非脱氢。在强碱的作用下中间体10d经历Cannizzaro反应得到了对应的α-羟基酸的产物。KIE实验表明脱氢是该反应的决速步骤。进一步的DFT计算表明催化剂是通过氧化还原中性的机理来催化反应的。综上所述，这类选择性转化首先在铱催化剂的作用下，在取代的乙二醇的α位上的羟基发生选择性脱氢反应，生成的活性中间体10c在空气中氧气的作用下进一步发生氧化反应得到中间体10d，最后10d在强碱的作用下经历了一步Cannizzaro反应，歧化得到对应的α-羟基酸。这一工作不但进一步验证了催化剂的固载中孤立效应的优势，而且生物质多醇的全新的脱氢、氧化接力反应机理，为其它生物质高值化产业化提供了新途径。本文中，作者以自负载氮杂环卡宾铱为催化剂，在空气氛下，通过脱氢、氧化接力的过程，实现了邻二醇到α-羟基酸的高效绿色转化，底物普适性广，且催化剂可以循环利用多次。该工作为廉价邻二醇的高值化及α-羟基酸的工业化制备提供了新思路。涂涛，复旦大学化学系教授。2003年于中国科学院上海有机化学所获得博士学位，师从我国著名有机化学家戴立信院士。2003年至2005年，在加拿大蒙特利尔大学化学系从事博士后研究，合作导师为James D. Wuest教授。2005年至2009年，在德国波恩大学工作，担任助理研究员。2009年起就职于复旦大学化学系。已承担和参与国家重点研发专项子课题一项，国际合作项目一项，国家自然科学基金委面上项目及上海市项目多项，获得上海市青年科技启明星、曙光学者、浦江人才及Thieme Chemistry Journal Award等奖项。目前任Chinese Chemical Letters副主编、Green Synthesis and Catalysis执行主编。在Angew. Chem.; Adv. Mater.; Acc. Chem. Res.; ACS Catal.; Green. Chem.; Org. Lett.; Chem. Commun.等国际知名学术期刊发表SCI论文八十余篇，申请和授权专利十余项。
课题组研究主要集中在功能导向的金属有机化合物的设计合成、组装及其催化、识别研究。一方面针对生物质资源小分子及CO2的绿色高效转化中存在的问题，设计合成高效、高选择性的新型氮杂环卡宾金属催化剂，并进一步利用自负载、超交联等策略，实现优势均相催化剂的固载制备了配位聚合物、多孔有机金属聚合物（POMPs）等材料，实现了多类生物质资源小分子及CO2的绿色高效转化。另一方面，基于含金属氮杂环卡宾、三联吡啶等简单小分子化（络）合物，构筑超分子、高分子凝胶等软物质材料，并应用于催化、识别、发光、分子器件等方面。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c04354
