編者語：

“該研究激活沉睡130年的教科書反應(yīng)，實現(xiàn)溫和條件下多類高難度有機轉(zhuǎn)化，為可持續(xù)化學(xué)提供新平臺。這說明重新審視那些沉睡在教科書中的經(jīng)典反應(yīng)，可能會催生出生機勃勃的創(chuàng)新。”

01

背景介紹

鐵，是地殼中含量最豐富的金屬之一，年開采量占所有金屬的93%。與昂貴的鈀、銠等貴金屬相比，鐵不僅成本低廉，而且環(huán)境友好、毒性低，是實現(xiàn)綠色化學(xué)的理想催化劑。然而，鐵催化面臨一個核心挑戰(zhàn)：如何將常見的三價鐵（Fe(III)）還原成具有高反應(yīng)活性的低價鐵（如Fe(I)或Fe(0)）。傳統(tǒng)方法依賴于格氏試劑、鉀石墨等強還原劑，它們猶如“化學(xué)猛獸”，雖然威力巨大，但選擇性差，容易破壞許多敏感的官能團，限制了其在復(fù)雜分子合成中的應(yīng)用。

與此同時，一個被稱為配體到金屬電荷轉(zhuǎn)移（LMCT）的光化學(xué)過程近年來受到關(guān)注。當(dāng)光照射到某些金屬配合物時，能量會促使配體的電子躍遷到金屬離子上，形成高能激發(fā)態(tài)，從而引發(fā)獨特的化學(xué)反應(yīng)。其中，草酸鐵（Ferrioxalate）是LMCT光化學(xué)的“元老級”模型。早在130多年前，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)它在光照下會分解，產(chǎn)生二價鐵（Fe(II)）和二氧化碳（圖1）。這個反應(yīng)如此高效和穩(wěn)定，以至于一直被用作測量光強度的“標(biāo)尺”（光度法），但從未有人想過將它用于創(chuàng)造新的化學(xué)鍵。

圖1. 鐵的氧化還原循環(huán)及Ferrioxalate光解過程

2026年01月01日，西班牙穆爾西亞大學(xué)的Fabio Juliá等在Science期刊發(fā)表題為“Ferrioxalate photocatalysis: A multitasking platform for reductive iron catalysis”的研究論文（圖2）。該研究獨辟蹊徑，利用草酸鐵在光照下必然產(chǎn)生低價鐵這一特性，反過來將其發(fā)展為一種強大的催化工具，成功地將這個經(jīng)典的“測量工具”變成了一個“合成工具”，開發(fā)出“草酸鐵光催化”新平臺。該平臺的核心妙處在于，草酸鹽本身在黑暗中非常溫和，不與其他分子反應(yīng)；一旦見光，它就“變身”為強大的兩電子還原劑，唯一產(chǎn)生的副產(chǎn)物是無害的CO2（圖3A和3B）。基于此平臺，研究團隊成功開發(fā)了包括芳基鹵化物脫鹵、烯烴氫芳基化、烯烴羧基化、以及烯酮與丙烯酸酯的反極性交叉偶聯(lián)在內(nèi)的多種全新合成方法（圖3D），展現(xiàn)了其廣泛的底物適用性和優(yōu)異的化學(xué)選擇性，為可持續(xù)的鐵催化開辟了新前景。

圖2. 文章截圖

02

圖文解析

1.核心原理：光如何讓草酸鹽“犧牲自己，成全鐵”

草酸鐵光催化的核心過程猶如一場精心編排的“分子舞蹈”（圖3C）：

（1）光激發(fā)：當(dāng)可見光（如390 nm藍(lán)光）照射到草酸鐵復(fù)合物時，LMCT過程發(fā)生，草酸根上的一個電子被激發(fā)并轉(zhuǎn)移到中心的三價鐵（Fe(III)）離子上。

（2）鍵斷裂：這種能量注入導(dǎo)致一個鐵-氧鍵發(fā)生均裂，產(chǎn)生一個一電子還原的鐵物種（Fe-1）和一個草?；杂苫?/p>

（3）脫羧與活化：草?；杂苫鶚O不穩(wěn)定，會迅速脫去一個二氧化碳（CO2），生成關(guān)鍵的活性中間體（Fe-2）。這個Fe-2可以被描述為一個與強還原性CO2?–自由基耦合的Fe(II)，或者更活潑的Fe(I)物種。正是這個Fe-2，成為了后續(xù)所有神奇反應(yīng)的“發(fā)動機”。

（4）凈還原：整個過程下來，一個草酸根離子（C2O42-）犧牲了自己，變成了兩分子CO2，同時為體系提供了兩個電子，將Fe(III)還原。而鐵催化劑在反應(yīng)結(jié)束后又恢復(fù)到初始狀態(tài)，循環(huán)使用。

與需要額外光敏劑（如貴金屬銥、釕的配合物）的金屬光氧化還原催化不同，在這個體系里，鐵自身就是光催化劑，實現(xiàn)了“一身二任”，大大簡化了體系。

圖3. Ferrioxalate光催化的基礎(chǔ)與起源

2.初試鋒芒：挑戰(zhàn)“硬骨頭”芳基氯化物

芳基氯化物由于碳-氯鍵牢固，還原電位極負(fù)（低于-2.5 V），是檢驗還原體系能力的試金石。大多數(shù)傳統(tǒng)光催化劑都對它無能為力。研究團隊首先用4-氯苯甲醚來測試Fe-2的還原能力。

結(jié)果令人振奮（圖4A）：在僅使用5%的廉價三價鐵鹽（如FeCl3）和三個當(dāng)量的草酸銨作為還原劑，在390 nm LED燈照射下，以96%的高收率獲得脫氯產(chǎn)物。對照實驗證明，光、鐵、草酸鹽三者缺一不可。更有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)鐵催化劑的用量需要控制在較低水平（1-10%），用量過高反而會失效。這是因為高濃度下，生成的Fe(I)容易與未反應(yīng)的Fe(III)發(fā)生“同元素化合反應(yīng)”生成Fe(II)，從而消耗掉活性物種，這恰恰反過來證明了Fe(I)這類高活性中間體的存在。

圖4. 光催化條件下Ferrioxalate的初始反應(yīng)性研究

3.精準(zhǔn)調(diào)控：配體“指揮棒”改變反應(yīng)路徑

Fe-2的化學(xué)反應(yīng)性非常獨特。研究人員比較了Fe-2與CO2?–自由基對丙烯酸甲酯的反應(yīng)（圖4B）。CO2?–會優(yōu)先與烯烴發(fā)生氫原子轉(zhuǎn)移（HAT），生成自由基然后二聚。而當(dāng)使用FeCl3作為光催化劑時，主要產(chǎn)物變成了烯烴的還原二聚體，這說明被鐵配位的活性物種（Fe-2）其還原性更強，而自由基特性減弱。

更巧妙的是，通過添加不同的配體（如聯(lián)吡啶衍生物），可以像使用“指揮棒”一樣，精細(xì)調(diào)控Fe-2的化學(xué)性質(zhì)，從而改變反應(yīng)的選擇性。例如，加入4, 4'-二甲氧基聯(lián)吡啶（dMeObpy）能進一步提高還原二聚的選擇性，這為根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物定制催化體系提供了可能。

4.合成應(yīng)用

（1）復(fù)雜藥物分子的“溫和脫氯”

研究團隊成功地對一系列結(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物分子或其中間體進行了脫氯反應(yīng)（圖5A）。這些分子通常含有胺基、羥基、磺?；热菀着c強還原劑反應(yīng)的敏感官能團，目標(biāo)脫氯反應(yīng)以優(yōu)異的收率完成（產(chǎn)物5-12）。這凸顯該方法卓越的化學(xué)選擇性和官能團兼容性，為藥物研發(fā)中后期對分子進行精準(zhǔn)修飾提供了強大工具。

（2）無需氫源的新型“氫芳基化”

構(gòu)建碳-碳鍵是有機合成的核心。其中，還原性Heck反應(yīng)（即用芳基鹵化物和烯烴反應(yīng)，生成加氫的芳基化產(chǎn)物）通常需要額外的氫氣或氫化物給體。而該研究開發(fā)的方法，在僅含水、無需任何傳統(tǒng)氫源的條件下，實現(xiàn)了烯烴與芳基溴化物的氫芳基化（圖5B）。

一系列芳基溴化物和未活化烯烴都能順利反應(yīng)（產(chǎn)物13-27）。機理實驗表明，反應(yīng)可能經(jīng)歷了芳基自由基中間體。當(dāng)使用氘水（D2O）時，產(chǎn)物中高效地?fù)饺肓穗樱óa(chǎn)物25-27）。這說明水分子是氫原子來源。這提出了一種全新的反應(yīng)機制：反應(yīng)可能經(jīng)歷了“自由基-極性交叉”過程，即自由基中間體被鐵物種捕獲生成有機金屬中間體，然后水分子進行質(zhì)子解。這為利用廉價、安全的水作為氫源打開了新思路。

基于此，團隊還發(fā)展了一個優(yōu)雅的串聯(lián)反應(yīng)：利用鄰溴苯甲腈與烯烴反應(yīng)，通過分子內(nèi)的自由基加成/環(huán)化，一步高效地構(gòu)建了茚酮類化合物（圖5C，產(chǎn)物28-33）。這類結(jié)構(gòu)廣泛存在于天然產(chǎn)物和藥物分子中，傳統(tǒng)方法合成步驟繁瑣。

圖5. 烷基鹵化物在Ferrioxalate光催化合成中的應(yīng)用

（3）巧用CO2?–實現(xiàn)羧基化與交叉偶聯(lián)

Fe-2本身包含一個活化的CO2單元，研究人員巧妙地將這一特性用于烯烴的氫羧基化反應(yīng)（圖6A）。在這里，草酸鹽既作還原劑，又作羧基來源，真正實現(xiàn)了“物盡其用”。多種未活化烯烴（34-39）乃至吲哚的羧基化脫芳構(gòu)化（40）都能順利進行。

最后，該平臺還實現(xiàn)了一項前所未有的轉(zhuǎn)化——烯酮與丙烯酸酯類化合物的還原交叉偶聯(lián)（圖6B）。通常，烯酮是作為“親電體”被親核試劑進攻。但在此體系中，F(xiàn)e-2能夠?qū)⑾┩€原成“親核體”的烯醇負(fù)離子等價物，去進攻另一分子缺電子烯烴，從而構(gòu)建了有價值的C(sp3)-C(sp3)鍵（產(chǎn)物43-56）。這種方法與傳統(tǒng)的光催化[2+2]環(huán)加成路徑完全不同，展示了草酸鐵光催化在開拓新反應(yīng)類型方面的強大能力。

圖6. Ferrioxalate光催化在烯烴羧化和還原偶聯(lián)反應(yīng)中的合成應(yīng)用

03

總結(jié)

該研究成功地將一個已有130年歷史的、主要用于物理測量的光化學(xué)現(xiàn)象，創(chuàng)造性地轉(zhuǎn)化為了一個功能強大的合成化學(xué)平臺。該研究發(fā)現(xiàn)了鐵草酸鹽LMCT激發(fā)態(tài)在合成化學(xué)中的全新價值，證明了鐵可以作為獨立的光催化劑，無需貴金屬光敏劑輔助，實現(xiàn)了“簡約而不簡單”的催化設(shè)計。研究成功實現(xiàn)了脫鹵、氫芳基化、羧基化、交叉偶聯(lián)等五種不同類型的挑戰(zhàn)性反應(yīng)，且具有優(yōu)異的化學(xué)選擇性和官能團兼容性，可直接用于復(fù)雜分子的后期修飾。另外，揭示了水作為氫源的新途徑以及烯酮的“極性反轉(zhuǎn)”反應(yīng)，為未來開發(fā)更多新反應(yīng)提供了理論依據(jù)和靈感來源。

04

展望(巨人肩上前行)

1. 將此“差異還原”策略推廣至其他豐產(chǎn)金屬（如銅、錳）的草酸鹽體系，開發(fā)新的LMCT催化平臺

2. 精確地捕捉和表征Fe-2等關(guān)鍵活性中間體的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)動力學(xué)

文獻信息

Carlos Bernabeu, Sergio Adalid, Sara Colombo, Nojus, Partha Pratim Sen, Ken Okuno, and Fabio Juliá, Ferrioxalate photocatalysis: A multitasking platform for reductive iron catalysis, Science, 2026, 391(6780), 84-89. 10.1126/science.aeb1702

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