摘要：近日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校Erik J. Alexanian课题组报道了一种在温和条件及低压光促进下，利用未修饰、廉价的钴羰基化合物催化烯烃的烷氧基羰基化与羟基羰基化反应，合成了一系列酯及羧酸衍生物。这些反应对烯烃和醇组分均展现广泛的底物适用性。同时，

导读

近日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校Erik J. Alexanian课题组报道了一种在温和条件及低压光促进下，利用未修饰、廉价的钴羰基化合物催化烯烃的烷氧基羰基化与羟基羰基化反应，合成了一系列酯及羧酸衍生物。这些反应对烯烃和醇组分均展现广泛的底物适用性。同时，烷氧基羰基化反应仅需烯烃与醇各一当量即可高效进行，可实现复杂底物的偶联。此外，烷氧基羰基化反应甚至可在无溶剂条件下进行，并且该过程具有非常低的E因子（即用于评估生产过程中对环境的影响，E因子越小，环境污染越小）。文章链接DOI：10.1021/jacs.5c03769

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

正文

酯和羧酸官能团是一个重要的结构单元，广泛存在于各类化合物中。早在1953年，Reppe团队首创的烯烃烷氧基羰基化与羟基羰基化反应（使用镍/钴催化剂，在180–220°C、100–200 atm的苛刻条件下进行），是可规模化生产的催化工艺，能分别将简单烯烃原料转化为高附加值的酯类及羧酸衍生物。随后，化学家们开发了多种金属催化体系，其依赖于钯、铂或钌等贵金属催化剂，并需搭配定制配体以实现高效的催化。然而，此类反应通常需高温（>120 °C）、一氧化碳高压（>40 atm）及强Brønsted酸参与，因此其适用范围局限于简单非官能团化烯烃（Figure 1A）。近年来，多项研究致力于开发基于地壳丰产金属催化的烯烃烷氧基羰基化反应。例如，利用活化环丙烯作为底物，成功实现镍催化烷氧基羰基化反应。同时，少量文献报道了钴催化体系的潜力，但这些体系需依赖450 W UV高强度照射或高温高压条件。然而，上述催化体系几乎仅适用于非官能团化的烯烃，且对含取代基烯烃（如三及四取代烯烃）的反应效率显著下降。在第一排过渡系金属催化的烯烃羟基羰基化领域，目前仅有两例研究案例，且均需苛刻反应条件且底物局限于丙烯或1-辛烯。基于前期钴催化烯烃的氨基羰基化反应（Science2024, 383, 77.）的研究，近日，Erik J. Alexanian课题组报道了一种可见光促进钴催化烯烃的烷氧基羰基化和羟基羰基化反应（Figure 1B）。同时，该烷氧羰基化反应仅需一当量的烯烃和醇类原料，反应过程具有100%的原子经济性，这为复杂反应物之间的偶联反应开辟了新途径。此外，即使在没有反应溶剂的条件下，该烷氧羰基化反应仍可进行。欢迎下载化学加APP到手机桌面，合成化学产业资源聚合服务平台。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

首先，作者提出了一种合理的钴催化烯烃的烷氧基羰基化和羟基羰基化反应的机理（Scheme 1）。在前期研究中（Science2024, 383, 77.），仅使用钴羰基化合物即可催化烯烃的氨基羰基化反应。而本研究以胺类替代醇类和水作为反应组分时，推测需要引入额外的助催化剂。具体而言，这些助催化剂可通过以下两种路径辅助生成活性HCo(CO)3物种：①促进钴羰基预催化剂歧化过程；②参与质子转移反应。此外，助催化剂可以在加氢钴化和酰基钴形成后，促进酰基转移到氧基亲核试剂。

其次，作者以环乙烯与乙醇作为模型底物，进行了相关反应条件的筛选（Table 1）。当以Co2(CO)8（1 mol %）作为催化剂，DMAP（2 mol %）作为亲核助催化，[TEA-H][OTs]（triethylammonium tosylate，10 mol %）作为弱酸助催化剂，CO（5 atm）作为羰基源，390 nm LEDs作为光源，在THF溶剂中60 oC反应48 h，可以89%的分离收率得到烷氧羰基化产物2。

在获得上述最佳反应条件后，作者对烷氧羰基化反应的底物范围进行了扩展（Figure 2）。首先，丙烯底物，可以定量的收率获得区域异构体混合物（1）。含有支链取代的末端烯烃，具有更高的线性区域选择性（2-4）。环状和非环状1,2-二取代烯烃，可以高收率获得相应的酯产物（5和6）。环状三取代烯烃（如1-甲基-1-环己烯），可以优异的非对映选择性获得反式构型的1,4-二取代酯产物（7）。β-香茅醇，仅获得非对映体混合物形式的末端酯产物（8）。四甲基乙烯，也可以优异的收率获得乙酯产物（9）。含有氨基甲酸酯保护基团的4-亚甲基哌啶，可以高收率获得相应的产物（10和11）。奎宁衍生物，可以良好的收率得到相应的酯产物（12）。复杂的烯烃底物（如胆固醇），可以良好的收率得到乙酯产物（13），为单一的非对映异构体。其次，含有烷基胺或缩酮保护基团的醇底物，均与体系兼容（14和15）。含有缺电子的醇底物，可以良好的收率得到相应的产物（16−18）。对于丁烷-1,3-二醇，反应有利于1°醇的偶联（19，rr为86:14）。三级醇（如叔丁醇），可以中等收率得到酯产物（20）。值得注意的是，该策略还可用于种天然产物衍生物的后期修饰，如(−)-薄荷醇、脯氨酸衍生物、D-丝氨酸衍生物和胆固醇，可以优异的收率以及区域选择性获得相应的产物（21-24）。

紧接着，作者对反应的实用性进行了研究（Figure 3）。首先，四甲基乙烯与2-(哌啶-1-基)乙醇的偶联反应，可以优异收率得到酯类化合物25（Figure 3A）。这一进展有效解决了当前该领域先进技术中存在的重要局限，包括高度取代烯烃普遍较低的反应活性，以及在催化烷氧羰基化反应中对Lewis碱性官能团的耐受性问题。其次，在无溶剂条件下，进行环己烯与乙醇的克级乙氧羰基化反应，同样可以85%的收率得到环己烷羧酸乙酯（5），E因子为0.30（Figure 3B）。相比之下，散装化学品合成的E因子范围为0.1-5.0，而石油精炼的E因子

此外，在相同的温和条件下，简单地添加水作为共溶剂，还可以实现钴催化羟基羰基化反应（Figure 4）。首先，乙烯基环己烷，可以定量的收率得到羧酸产物26，l/b为6.0:1。无环1,2-二取代底物（如4-辛烯），通过链行走过程，可以高收率得到羧酸区域异构体的混合物（27）。环己烯，可以90%的收率得到羧酸产物（28）。四甲基乙烯，可以77%的收率得到羧酸产物（29）。其次，N-Cbz保护的4-亚甲基哌啶，也与体系兼容，可以73%的收率得到羧酸产物（30）。此外，O-乙酰基胆固醇，也能够参与羟基羰基化反应，可以56%的收率得到羧酸衍生物（31），为单一非对映异构体。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结

美国北卡罗来纳大学教堂山分校Erik J. Alexanian课题组报道了一种通用的钴催化烯烃与醇或水亲核试剂进行的烷氧基羰基化与烃基羰基化反应。这种光促进反应利用储量丰富的第一排过渡金属钴作为催化剂，在温和条件下实现了多样化酯类和羧酸类化合物的合成。该烷氧基羰基化反应即使在无溶剂条件下，仅需一当量烯烃和醇即可高效进行，展现出优异的原子经济性，形成绿色环保的合成工艺。此外，该策略将在复杂分子合成到大宗化学品生产等广泛领域发挥重要作用。

文献详情：

Cobalt-Catalyzed Syntheses of Esters and Carboxylic Acids from Alkenes Promoted by Light.

Mason S. Faculak, Michael R. Rodriguez, Erik J. Alexanian*.

J. Am. Chem. Soc.2025

来源：老周的科学大讲堂