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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

Sm^II是非常通用的单电子还原剂。自1977年Kagan及其同事引入SmI₂合成以来，SmI₂已成为一种独特的单电子还原剂，广泛应用于各种合成环境中。

关键问题

然而，Sm^II的利用主要存在以下问题：

1、SmI₂只能在稀释反应条件下使用，不适合大规模合成

尽管Sm^II还原剂的价值和多功能性，但它们主要是在化学计量上部署的。此外，SmI₂通常必须在稀释反应条件下使用，因为SmI₂在四氢呋喃中的溶解度<0.1 M。因此，SmI₂不适合在大规模环境或多步合成的早期阶段用作试剂。

2、Sm^II的通用催化转化方法仍然难以实现

由于断裂强Sm^Ⅲ-O键的众所周知的挑战，通用的催化转化方法仍然难以实现。先前的工作主要集中在使用高反应活性的亲氧剂来实现催化剂的周转。然而，这些方法导致了复杂的催化剂形态，并在本质上限制了合成范围。

新思路

有鉴于此，美国加州理工学院Jonas C. Peters、Sarah E. Reisman等人利用温和且具有选择性的质子分解作用策略，实现了钐催化的、具有广泛适用范围的酮和丙烯酸酯的分子间还原交叉偶联反应。该方法的模块化允许基于溶剂、pK_a (式中: K_a为酸解离常数)和钐配位球选择性进行合理控制，并为催化和电催化镧系化学的未来发展提供了基础。

技术方案：

1、探究了Sm催化还原性交叉偶联反应

作者通过质子化Sm-醇盐裂解，成功生成活性SmI₃，实现催化还原偶联。使用Sm(OTf)₃作为稳定前催化剂，与MgI₂和Zn⁰协同，高效合成螺环g-内酯，为Sm催化提供新策略。

2、探索了底物范围及合成效用

作者成功拓宽SmI₃催化反应范围，兼容多种官能团，实现高产率合成g-内酯。杂环构建块的合成突显了反应实用性。分子内酯化中观察到非对映选择性逆转，为酮类合成提供新策略。

3、演示了SmI₃向SmI₂转化的电催化方法

作者通过电催化方法成功实现SmI₃向SmI₂的转换，采用恒电位电解合成内酯，展示了Sm在电催化合成中的关键作用。    

4、通过热化学分析了Sm循环过程

作者揭示了Sm^III-OR再激活中质子转移的影响因素，通过热化学循环和酸、卤化物的独立变化，实现了对醇酮裂解步骤的控制。

技术优势：

1、创新性地提出通过质子分解作用实现Sm-酮裂解方法

作者创新性地提出了一种通过质子化实现Sm-醇酮裂解的方法，解决了Sm^III-OR翻转的挑战。通过合理选择阳离子Brøsted酸和卤化物供体，实现了从Sm^III中快速且可逆的烷氧配体质子分解，为Sm催化的酮类和丙烯酸酯的还原性交叉偶联提供了一种有效的途径。

2、将Sm的使用浓度提高了10倍并展示了在真正电催化系统的应用

作者选择Sm(OTf)³作为Sm前体，反应可以在克尺度上进行，浓度比使用化学计量学SmI²时通常使用的浓度高10倍，将优化的条件转化为真正的电催化系统，实现了在电催化Sm化学中的突破。

技术细节

Sm催化还原性交叉偶联

作者成功探索了一种新型的Sm^III-醇盐质子化裂解方法，以生成具有氧化还原活性的SmI₃，实现催化反应。使用Sm(OiPr)₃作为模型，通过筛选不同的质子供体和碘化物源，确定了双(三氟甲基磺酰基)亚胺鎓(LutHTFSI)和LiI的组合能够有效促进SmI₃的生成。循环伏安法(CV)和分光光度实验验证了SmI₃的形成。进一步，利用Sm(OTf)₃作为货架稳定、价格低廉的前催化剂，与MgI₂和Zn⁰协同作用，实现了1,4-环己二酮单乙烯缩醛与丙烯酸酯的高效还原性交叉偶联，合成了螺环g-内酯。优化条件下，反应产率显著提高，且反应条件更为温和。此外，通过对照实验排除了其他可能的催化机制，证实了Sm^III/II氧化还原对在催化循环中的关键作用。本研究不仅为Sm催化的有机合成提供了新的策略，也为理解和控制SmI₃的生成与反应提供了重要的基础。    

图  与还原Sm催化有关的动机和挑战

图  质子分解转换策略与反应发展

底物范围及合成效用论证    

接着，作者扩展了SmI³催化的酮类和丙烯酸酯还原性交叉偶联反应的范围，证实了与化学计量学SmI²相当的高产率和官能团相容性。芳香族和脂肪族酮均能高效转化为g -内酯，尽管含有强吸电子取代基的底物因竞争反应而产率降低。杂环构建块如四氢硫吡喃和四氢吡喃的合成进一步证明了反应的实用性。此外，研究还观察到在催化条件下，与化学计量学SmI²相比，分子内酯化的非对映选择性发生了逆转，尽管dr值略有下降，这可能是由于Mg²⁺离子与丙烯酸酯的配位竞争所致。这些发现为酮类化合物的合成提供了新的见解，并展示了Sm催化在复杂分子合成中的潜力。    

图  Sm催化还原性交叉偶联的范围

电催化演示

作者成功开发了一种电催化方法，以解决SmI₃向SmI₂转换过程中的挑战。通过结合Sm(OTf)₃和MgI₂，在2-MeTHF溶剂中实现了SmI₃的生成，并通过循环伏安法(CV)观察到其准可逆波。研究中发现，添加LutHTFSI能够在SmI₃还原电位下引发多电子波，表明电催化转换的发生。此外，使^用nBu₄NI代替MgI₂时，观察到较小的电流增强，暗示Mg²⁺在促进电子转移中的作用。实验结果表明，芳香酮和丙烯酸酯的还原可能通过“酮优先”机制进行，而在电化学条件下，SmI₂对芳香酮的还原是快速且不可逆的。通过恒电位电解(CPE)，实现了酮1a和丙烯酸酯的电催化交叉偶联，以75%的产率和75%的法拉第效率合成了内酯3a。研究强调了Sm在电催化过程中对内酯形成的重要性，并为电催化Sm化学的未来发展提供了基础。    

图  Sm电催化的发展

热力学分析

最后作者深入探讨了Sm^III-OR再激活中关键质子转移步骤的影响因素，通过五组分热化学循环明确了质子溶解的有利条件。研究发现，通过独立变化酸、卤化物供体和卤化物的身份，可以合理控制醇酮裂解步骤。实验结果与勒夏特列原理一致，显示SmI₃的氧化还原活性受LiTFSI和对撞素的影响，而添加ColHTFSI和ⁿ Bu₄NI能够恢复初始电流强度。此外，研究还发现酸的pK_a值对体系的氧化还原活性有显著影响，Mg阳离子的加入则使平衡向Sm(Oi Pr)₃转移。通过使用SmI₂添加剂调节Sm^III/II氧化还原电位，展示了该试剂的有利特性。例如，Br^-的加入生成更强的还原剂SmBr₂，但需要使用适合的酸以避免在SmBr₃还原所需的电位下发生HER。研究结果为Sm催化反应的参数优化提供了重要见解，并展示了在不同条件下产物选择性的变化，为Sm催化的有机合成提供了新的策略。    

图  控制Sm^III-OR质子分解的因素

展望

总之，作者报告了利用精心选择的酸可以帮助切断钐-氧键，并通过电化学或金属锌提供的电子来诱导转换，通过酮与丙烯酸酯偶联形成内酯展示了这种催化作用。该结果为更广泛地研究不同氧化还原体制下的还原性Sm催化和电催化奠定了基础。本文描述的直接Sm-O质子分解策略有望实现多种催化转化，包括扩展到其他稀土元素作为催化剂。

参考文献：

Emily A.BOYD, et al. Reductive samarium (electro)catalysis enabled by Sm^III-alkoxide protonolysis. Science, 2024, 385(6711):847-853.

DOI: 10.1126/science.adp5777

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp5777#tab-contributors