金屬配合物催化劑通常由三個(gè)部分組成：配體、中心金屬和抗衡離子?？购怆x子對(duì)許多催化反應(yīng)的活性和選擇性有著顯著影響，但在碳鋅化反應(yīng)中卻很少觀察到這種現(xiàn)象。
2025年8月4日，南開大學(xué)朱守非在國(guó)際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Iron-catalyzed alkyne alkylzincation affected by counterions》的研究論文，Lu-Jie Li為論文第一作者，朱守非為論文通訊作者。
在本文中，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)將弱配位的大位阻抗衡離子四（3, 5-三氟甲基苯基）硼酸鹽（[BArF4]-）引入反應(yīng)中時(shí)，鐵催化的炔烴烷基鋅化反應(yīng)的催化效率顯著提高。
這種方法制備的離子型鐵催化劑在末端炔烴和內(nèi)部炔烴的烷基鋅化反應(yīng)中均展現(xiàn)出卓越性能，其活性（轉(zhuǎn)化數(shù)高達(dá)32900）、區(qū)域選擇性（多數(shù)>95: 5）和立體選擇性（多數(shù)>95: 5）俱佳。
值得注意的是，非活化末端和內(nèi)部炔烴的甲基鋅化反應(yīng)也得以實(shí)現(xiàn)。此外，該方法還實(shí)現(xiàn)了多種生物活性分子及其關(guān)鍵中間體的高效合成。
機(jī)理研究表明，陽離子Fe(II)物種是催化活性物種，而弱配位的大位阻抗衡離子穩(wěn)定了陽離子鐵(II)烷基復(fù)合物，且不會(huì)與炔烴底物競(jìng)爭(zhēng)。
圖1：催化炔烴烷基鋅化反應(yīng)。鐵催化的炔烴烷基鋅化反應(yīng)的研究背景和本研究的創(chuàng)新點(diǎn)。圖中分為三個(gè)部分：(a) 之前報(bào)道的芳基炔烴的甲基鋅化反應(yīng)，僅在特定條件下實(shí)現(xiàn)，且產(chǎn)率有限；(b) 非活化末端炔烴和內(nèi)部炔烴的甲基鋅化反應(yīng)尚未成功；(c) 本研究中通過引入弱配位的大位阻抗衡離子[BArF4]-，實(shí)現(xiàn)了鐵催化的末端和內(nèi)部炔烴的烷基鋅化反應(yīng)，為合成多取代烯烴提供了一種高效方法。
圖2：反離子對(duì)鐵催化的炔烴烷基鋅化反應(yīng)的影響。在不同催化劑和反應(yīng)條件下，末端炔烴和內(nèi)部炔烴的烷基鋅化反應(yīng)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，加入[BArF4]-后，反應(yīng)效率顯著提高，產(chǎn)率和選擇性均大幅提升。圖中對(duì)比了不同催化劑（如C1、C2、C3）和不同反應(yīng)條件（如溶劑、溫度）對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果表明[BArF4]-在所有反應(yīng)中都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
圖3：鐵催化的末端炔烴甲基鋅化反應(yīng)的底物范圍。鐵催化的末端炔烴甲基鋅化反應(yīng)的底物范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅適用于簡(jiǎn)單的烷基末端炔烴，還適用于含有不同官能團(tuán)（如烷氧基、鹵素、芳基等）的末端炔烴。此外，對(duì)于二級(jí)和三級(jí)烷基末端炔烴，該方法同樣有效。圖中詳細(xì)列出了各種底物的反應(yīng)結(jié)果，包括產(chǎn)率、區(qū)域選擇性和立體選擇性。
圖4：鐵催化的內(nèi)部炔烴烷基鋅化反應(yīng)的底物范圍。鐵催化的內(nèi)部炔烴烷基鋅化反應(yīng)的底物范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)多種內(nèi)部炔烴具有廣泛的適用性，包括含有不同取代基（如芳基、烷基、雜芳基等）的內(nèi)部炔烴。此外，對(duì)于含有不同官能團(tuán)（如-F、-Cl、-Br、-CF3等）的內(nèi)部炔烴，該方法也能實(shí)現(xiàn)高效的烷基鋅化反應(yīng)，產(chǎn)率和選擇性均較高。
圖5：鐵催化的內(nèi)部炔烴烷基鋅化反應(yīng)的合成應(yīng)用。鐵催化的內(nèi)部炔烴烷基鋅化反應(yīng)的合成應(yīng)用。圖中分為兩部分：(a) 高轉(zhuǎn)化數(shù)（TON）和克級(jí)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，表明該方法具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力；(b) 通過內(nèi)部炔烴的烷基鋅化反應(yīng)合成了一系列四取代烯烴，展示了該方法在合成復(fù)雜分子中的應(yīng)用前景。
圖6：鐵催化的末端炔烴甲基鋅化反應(yīng)的合成應(yīng)用。鐵催化的末端炔烴甲基鋅化反應(yīng)的合成應(yīng)用。圖中分為三部分：(a) 合成了一系列具有工業(yè)價(jià)值的 E-烯烴，產(chǎn)率和選擇性均較高；(b) 形式合成了一種天然產(chǎn)物naucleamides E的關(guān)鍵中間體，展示了該方法在天然產(chǎn)物合成中的應(yīng)用；(c) 形式合成了(+)-cornexistin和mavacuran堿類化合物的關(guān)鍵中間體，進(jìn)一步證明了該方法在復(fù)雜天然產(chǎn)物合成中的高效性。
圖7：反應(yīng)機(jī)理研究。鐵催化的炔烴烷基鋅化反應(yīng)機(jī)理的研究。圖中分為五部分：(a) 活性催化劑的制備；(b) 測(cè)試C1c的反應(yīng)活性；(c) 合成Fe(II)-烷基復(fù)合物C4b；(d) 測(cè)試C4b的反應(yīng)活性；(e) C4b和炔烴的計(jì)量反應(yīng)。通過這些實(shí)驗(yàn)，作者提出了一個(gè)可能的催化循環(huán)，其中[BArF4]-穩(wěn)定了活性Fe(II)-烷基復(fù)合物，促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行。
圖8：提出的機(jī)理。鐵催化的炔烴烷基鋅化反應(yīng)的可能機(jī)理。圖中分為兩部分：(a) 提出了一個(gè)涉及Fe(II)的催化循環(huán)，包括催化劑前體的轉(zhuǎn)化、活性物種的生成、炔烴的配位、遷移插入和轉(zhuǎn)金屬化等步驟；(b) 通過DFT計(jì)算驗(yàn)證了遷移插入步驟的合理性，并表明通過自旋躍遷可以降低該步驟的活化能。
綜上，作者研究了鐵催化的炔烴烷基鋅化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)引入弱配位的大位阻抗衡離子四（3, 5-三氟甲基苯基）硼酸根（[BArF4]-）可以顯著提高反應(yīng)的催化效率，實(shí)現(xiàn)了末端和內(nèi)部炔烴的高效烷基鋅化反應(yīng)，展現(xiàn)出廣泛的底物適用性、高區(qū)域選擇性和立體選擇性（多數(shù)>95: 5），并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)32900的轉(zhuǎn)化數(shù)。
這一成果不僅為合成多取代烯烴提供了一種高效、綠色的方法，還推動(dòng)了鐵催化反應(yīng)的發(fā)展，為有機(jī)合成領(lǐng)域提供了新的思路和工具，尤其在生物活性分子及其關(guān)鍵中間體的合成中具有廣闊的應(yīng)用前景。
Iron-catalyzed alkyne alkylzincation affected by counterions. Nat. Commun., 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62460-z.
