烯烃作为一类非常重要的化学原料，在有机合成化学中扮演者举足轻重的作用。例如，通过对其C=C双键衍生化，可以获得一系列高值精细化工品。而C=C双键氧化断裂作为烯烃衍生化反应中的一类重要分支，自上世纪以来，一直被合成化学家广泛关注和研究。在传统有机合成中，选择性烯烃C=C双键氧化断裂一般通过臭氧化反应来实现。虽然该方法已被广泛的应用于药物、天然产物等精细化工品的合成，但是使用臭氧导致的安全、环境污染等问题极大的限制了其发展。因而在过去的几十年里，人们试图寻求一些臭氧替代物，以及开发绿色催化过程，来解决上述安全和环境污染等问题。但时至今日，能在温和条件下，利用廉价、易得、安全的氧化剂，实现高效、高选择性的烯烃氧化断键的方法仍鲜有报道。近日，利物浦大学的肖建良团队开发了一类仿酶非血红素锰络合物，通过光辅助氧气活化的策略，首次实现了温和条件下非活化烯烃的有氧氧化断裂反应（图1）。
研究表明，该催化策略不仅可以实现非活化、活化烯烃（包括1,1-二取代烯烃、三取代烯烃、四取代烯烃、环状烯烃、双烯等）的选择性断裂，而且具有非常好的官能团兼容性（图2）。值得一提的是，部分含C=C双键的天然产物及其衍生物也能通过该方法转化为对应的酮类化合物（见原文报道）。例如，该方法可以替代传统的臭氧化反应，实现天然产物β-Pinene温和条件下氧化裂解制备Nopinone 的过程。Nopinone是合成Nabilone药物（治疗癌症治疗期间的恶心和呕吐，以及前列腺素 D2 (PGD2) 受体拮抗剂 S-5751）的重要中间体。
随后，作者对反应的机理进行了详细的解析。通过紫外波普表征、单晶X射线衍射、高分辨质谱以及电子顺磁共振波普分析，对非血红素锰络合物活化氧气的过程进行了解析（图3）。结果表明，在蓝光激发下，非血红素Mn(dtbpy)2(OTf)2络合物能在甲醇溶液中迅速活化氧气，生成非对称结构的bis-μ-O2-Mn2双核锰氧络合物。进一步动力学研究表明，该双核锰氧络合物是烯烃氧化裂解过程中至关重要的催化剂的稳定态（resting state），虽然其本身无催化活性，但其光解生成单核Mn(IV)-oxo是驱动烯烃氧化反应的关键物种，且该光解过程为反应的速控步。另外，相关研究表明，甲醇在反应过程中不仅作为反应溶剂，同时也作电子、氢供体辅助Mn(dtbpy)2(OTf)2活化氧气形成bis-μ-O2-Mn2，且该氧气活化过程表现出反同位素效应。
最后，作者对该锰催化的烯烃有氧氧化裂解反应进行了详细的机理解释（图4）。首先，非血红素Mn(dtbpy)2(OTf)2络合物在蓝光激发且甲醇参与下，实现了氧气的活化，经由中间体物种A、B、 C，最终形成物种Mn(IV)-oxo D。由于中间体D具有非常高的活性，在反应过程中，倾向于被进一步稳定形成off-cycle的bis-μ-O2-Mn2物种。而该bis-μ-O2-Mn2物种在光照情况下，能可逆的裂解成活性物种D，进而实现活性中间体物种活性的调控。物种D具有自由基的性质，与烯烃发生自由基加成反应，形成物种E。E进一步和氧气结合形成F，最后实现化学键断裂得到目标产物。
肖建良课题组使用非血红素锰络合物作为催化剂，通过光辅助其氧气活化的策略，首次实现了温和条件下非活化烯烃的有氧氧化断裂反应。该工作具有较好的底物适用范围以及官能团兼容性。另外，详细的机理研究为理解锰促氧气活化、烯烃氧化断键以及进一步开发仿生有氧氧化反应提供了新思路，具有非常重大的意义。这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是利物浦大学的黄志良博士。
Oxidative Cleavage of Alkenes by O2 with a Non-Heme Manganese Catalyst
Zhiliang Huang, Renpeng Guan, Muralidharan Shanmugam, Elliot L. Bennett, Craig M. Robertson, Adam Brookfield, Eric J. L. McInnes, and Jianliang Xiao*
J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 10005–10013, DOI: 10.1021/jacs.1c05757
黄志良博士，2016年，毕业于武汉大学化学与分子科学学院，师从雷爱文教授；2016-2018年，获“博士后创新人才计划”资助，进入武汉大学高等研究院从事博士后研究；2018年至今，于利物浦大学肖建良教授课题组进行博士后研究，主要从事基于氧气活化的仿生金属络合物催化的有氧氧化反应及其机理研究。
肖建良，利物浦大学化学系教授, 主要从事分子催化和有机合成化学领域的研究，特别是均相催化、不对称合成，有机金属化学，反应机理和绿色化学方面的研究。2008年获SCI (The Society of Chemical Industry) 的UK Prize for Process Chemistry Research；2015年获利物浦大学Excelling at Innovation Award；2020年获RSC Tilden Prize。
肖建良教授团队长期致力于仿生金属络合物催化的有氧氧化反应的开发，部分相关成果见J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 8350−8360; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8206−8217; Chem. Eur. J., 2017, 23, 3051-3061; Chem. Eur. J., 2017, 23, 3062-3066.
https://www.x-mol.com/university/faculty/50002
http://pcwww.liv.ac.uk/~jxiao/
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