新闻网讯 碳氢键的选择性氧化是现代有机合成的核心目标之一，然而利用空气或氧气实现位点和化学选择性氧化仍然是一个挑战性难题。其中从烯丙位和炔丙位C−H键出发通过有氧羟基化构建烯丙醇和炔丙醇，由于存在过度氧化和竞争性副反应而难以实现。华中科技大学化学与化工学院唐从辉课题组在近期多相催化选择性官能团化工作基础上（J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 5864; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 23338; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 11801; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 2769; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 4142; Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202314708; Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202314364;Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202303433; Chin. J. Chem. 2025, 43, 916），报道了一种负载在氮掺杂碳基质上的单原子铁催化剂（Fe1-N/C-700），该催化剂能够在30°C下以空气为氧化剂，实现烯烃、炔烃的烯丙位和炔丙位C−H键高选择性羟基化反应。相关成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.。
烯丙位羟基化反应具有重要的合成价值，可直接获得烯丙醇——这类结构广泛存在于多种药物、天然产物及精细化学品中（图1a）。然而，由于烯烃易发生环氧化、双羟化及烯酮等竞争反应导致反应体系复杂，使得高选择性地合成烯丙醇面临巨大挑战（图1b）。传统方法多依赖铑、钯、铜等过渡金属催化剂，在苯醌或过氧化物等氧化剂作用下先生成烯丙酯或烯丙醚，再进一步转化为烯丙基仲醇，但π-烯丙基金属中间体的参与常导致烯丙基转位，生成烯丙基伯醇。这些挑战在空气氧化条件下更为突出，因为氧气活化往往经历难以控制的自由基路径，增加了过度氧化的风险（图1c）。
在本文工作中，唐从辉课题组基于此前在单原子催化领域的系列研究基础，成功开发了一种负载于氮掺杂碳的单原子铁催化剂（Fe1-N/C-700），其具有类酶的FeNₓ（x = 4, 5）配位结构，能够在温和条件下（30摄氏度）以空气为氧化剂，N-羟基邻苯二甲酰亚胺（NHPI）为共催化剂，高选择性地生成烯丙醇（图1d）。
图1. 烯烃的烯丙位氧化羟基化反应
本研究使用的Fe单原子催化剂通过模板牺牲法制备而成。通过XRD、XPS、HAADF-STEM、XANES、EXAFS表征证明了此催化剂中的Fe原子具有良好的分散性，无铁氧化物的纳米颗粒（图2）。同步辐射X射线吸收光谱（XAS）数据表明每个Fe单原子与平均4.7个N原子配位并锚定在碳载体上。
图2. 单原子铁催化剂的表征
在对铁单原子催化剂的结构和组成进行表征分析后，作者对催化剂的反应活性进行了考察（图3）。一系列香茅醇衍生的烯烃底物及甾体类、萜类天然产物均能以中等至良好的收率得到相应的烯丙醇产物，氰基、叠氮、氯、甲氧基、对甲苯磺酸酯和邻苯二甲酰亚胺等官能团均表现出良好的兼容性。此外，该催化体系还成功拓展至炔丙位C−H键羟基化。芳香炔和脂肪族炔均能顺利转化，以中等收率得到炔丙醇产物。
图3. 底物范围
为了评估该催化剂的实用性和稳定性，作者进行了克级规模放大实验和循环回收实验。当将底物1a放大至10 mmol时，在标准条件下以85%的收率得到1.94 g目标烯丙醇产物（TON=280，图4a）。同时得益于其多相特性，催化剂可通过简单过滤回收并重复使用。该反应在连续八次循环中保持了82%–85%的稳定收率，累计TON达2191（图4b）。对循环八次后的催化剂进行XRD、XPS和XANES表征，结果表明催化剂的单原子铁分散结构得以保持，未发生团聚现象（图4c）。此外产物2a可在不同条件下实现一系列衍生化反应，均以良好至优异的收率得到相应衍生物（图4d）。
在机理研究方面，控制实验表明未经热解的前驱体、均相铁盐或铁盐与邻菲罗啉的组合均无法获得目标产物（图4e），热过滤实验和ICP-OES分析排除了均相催化和金属浸出的可能性（图4f），KSCN中毒实验和酸蚀实验进一步证实单原子FeNₓ位点为关键的催化活性中心（图4g-h）；自由基捕获实验检测到烯丙基自由基–TEMPO加合物，证明反应涉及自由基路径（图4i）。基于上述实验，作者提出了可能的反应机理（图4j）：在铁单原子催化剂和氧气作用下，NHPI生成PINO自由基并攫取烯丙位氢原子形成烯丙基碳自由基，随后与分子氧反应经过氧化氢中间体，最终被三苯基膦还原为烯丙醇产物。
图4. 催化剂循环、产物应用、反应放大、机理实验
本工作深入探讨了单原子铁催化剂在烯烃和炔烃C−H键需氧羟基化反应中所展现的独特催化活性。这一突破的核心在于利用氮掺杂碳负载的原子分散铁位点模拟天然氧化酶的催化行为，在温和条件下以空气为氧化剂实现了烯丙位和炔丙位C−H键的选择性氧化。该反应条件温和，底物适用范围广泛，官能团兼容性良好，适用于天然产物和药物衍生物的后期修饰，催化剂可循环使用，为可持续的C−H键有氧氧化转化提供了新的思路和方法。
唐从辉为该论文的唯一通讯作者，姜毅杰为该论文的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、武汉市自然科学基金、中央高校基本科研业务费、北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室、南京大学化学化工学院配位化学国家重点实验室开放研究基金的资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2913960
编辑：史梦诗
来稿审核：尹志男
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审定发布：詹健
