济南大学王斌课题组JACS：Rieske双加氧酶启发的非血红素锰催化烯烃不对称双羟化反应

手性顺式邻二醇广泛存在于生物活性分子、药物分子和天然产物中。同时，手性顺式邻二醇也是重要的有机合成砌块，可用于制备各种手性化合物。长期以来，研究和发展不对称催化合成方法来制备光学活性的手性顺式邻二醇受到化学家的广泛关注。目前，Sharpless教授所发展的Os/金鸡纳碱催化烯烃不对称双羟化反应是构建手性顺式邻二醇最为可靠的方法。但是，Os具有剧毒、价格昂贵的特点，且化学计量的K₃[Fe(CN)₆]并不是一个理想的氧化剂，这是因为K₃[Fe(CN)₆]仅作为单电子氧化剂而不是二醇产物中氧的来源，每千克二醇产物的生成大约伴随8.1千克铁盐副产物的产生。显然，Sharpless不对称双羟化与当前社会对合成化学的原子经济性和绿色可持续的要求是不一致的。因此，在环境友好的条件下，发展地球丰产的廉价金属催化烯烃不对称双羟化反应成为合成化学和催化化学研究中重要且颇具挑战性的课题。

自然界中的Rieske双加氧酶可以在绝对温和、绿色的条件下通过O₂的活化将芳烃和烯烃C=C选择性地氧化为手性顺式邻二醇产物（图1A）。济南大学王斌教授课题组长期致力于仿生催化氧化及反应机理研究（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 5456; CCS Chem. 2022, 4, 2369; ACS Catal. 2022, 12, 6756; Coord. Chem. Rev. 2020, 421, 213443; Coord. Chem. Rev. 2023, 477, 214945.）。受Rieske双加氧酶活性位点结构特征及其催化双羟化反应机制启发，近日该课题组发展了单核非血红素锰配合物催化以H₂O₂或KHSO₅为氧化剂的烯烃不对称双羟化反应新体系（图1D），对于一系列烯烃的不对称双羟化可以获得有用的分离产率和高达99%的ee值。该催化体系的主要特征包括：（1）廉价无毒和地球丰产的锰作催化剂，（2）环境友好的反应条件，（3）优秀的顺式双羟化选择性和对映选择性。相关论文发表于J. Am. Chem. Soc.。

图1. 研究背景及工作设想。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

反应机理研究表明通过H₂O辅助Mn^III-OOH或Mn^III-OOSO₃–的O−O异裂生成的HO–Mn^V=O物种是烯烃双羟化反应的活性中间体（图2），这一研究结果使人联想到了Rieske双加氧酶催化芳烃双羟化反应中可能涉及的HO–Fe^V=O物种（图1A）。另外，HO–Mn^V=O与烯烃的反应经历了与Mn(V)配位的O原子对烯烃C=C的进攻和“OH反弹”这两步反应（图2），前一步反应的能垒较高，控制反应的对映选择性。因此，该工作首次在非血红素锰配合物催化以H₂O₂为氧化剂的烯烃不对称双羟化反应中复制了Rieske双加氧酶的催化功能和反应机制。

图2. 非血红素锰催化烯烃不对称双羟化的可能反应机理。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

综上所述，仿生催化烯烃不对称双羟化反应不仅为基于金属Os的Sharpless不对称双羟化反应提供了一种更加高效、绿色、精准的替代方法，还可以促进对Rieske双加氧酶催化机制和相关生物过程的深入理解。

相关成果发表在近期的J. Am. Chem. Soc.上，厦门大学王斌举教授、韩国梨花女子大学Wonwoo Nam教授和济南大学王斌教授为本文的通讯作者。感谢中科院兰州化学物理研究所孙伟研究员和武汉大学郭勉研究员的宝贵意见和建议。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Mononuclear Non-Heme Manganese-Catalyzed Enantioselective cis-Dihydroxylation of Alkenes Modeling Rieske Dioxygenases

Jie Chen, Jinyan Zhang, Ying Sun, Yuankai Xu, Yinan Yang, Yong-Min Lee, Wenhua Ji, Binju Wang,* Wonwoo Nam,* Bin Wang*

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c09508

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/binwang