在有机合成领域，伯醇（primary alcohols）因其广泛的应用价值，成为化学、制药、农化及精细化工行业中不可或缺的重要化合物。传统上，伯醇的合成通常依赖于两步氧化还原过程，如氢硼化-氧化法或齐格勒法等工业技术。（图1A）然而，这些方法往往需要多步操作、使用计量氧化/还原剂，并涉及昂贵或对环境不友好的金属催化剂。因此，开发一种更直接、高效、催化性的合成路径成为当前研究的热点。

近年来，光氧化催化（photoredox catalysis）为烯烃的选择性转化提供了新的机遇。尤其是反马氏规则（anti-Markovnikov）加成策略，使得从廉价、易得的烯烃直接合成伯醇成为可能。然而，现有的方法仍主要局限于苯乙烯类或多取代烯烃，（图1B）而对未活化的α-烯烃（unactivated α-olefins）而言，其较高的氧化电势使其难以发生单电子氧化，从而限制了反应的适用性。

基于此，研究者们尝试利用自由基加成策略，通过氧自由基介导的区域选择性碳-杂原子键构筑，实现对α-烯烃的直接功能化。（图1C）尽管此前已有基于氮、硫、卤等自由基的反马氏加成反应报道，但氧自由基的类似反应仍较少见，主要受限于底物预官能化及需计量氧自由基前体的使用。因此，开发新的催化体系，以实现高效、区域选择性的烯烃双官能化，仍然具有重要的挑战性和研究价值。

图片来源：JACS

本研究开发了一种基于光氧化/吡啶N-氧化物催化的区域选择性羧羟基化（carbohydroxylation）和氨羟基化（aminohydroxylation）方法，以实现未活化α-烯烃的直接双官能化。（图2）研究团队假设，通过光氧化催化生成的吡啶N-氧自由基可以与α-烯烃发生选择性加成，随后通过自由基-极性切换（radical-polar crossover）机制，借助亲电加成及亲核取代，最终生成目标产物。

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在实验过程中，研究者选择以9-甲基-10-甲氧基丙烯鎓盐（Mes-Acr-MeClO₄）为光氧化催化剂，吡啶N-氧化物为氧自由基前体，并以水或胺为亲核试剂。通过调控催化剂种类、溶剂体系及酸性添加剂的选择，优化反应条件，提高目标产物的收率和区域选择性。此外，研究团队还利用计算化学（DFT）手段，深入探讨了催化循环的自由能变化，进一步支持了所提出的机理假设。

图片来源：JACS

本研究的成功开发不仅为未活化α-烯烃的区域选择性功能化提供了一种全新的催化策略，同时也展现了光氧化催化与吡啶N-氧自由基的协同作用，为自由基介导的有机合成方法提供了新的思路。相比于传统的烯烃水合或氧化方法，该催化体系实现了对α-烯烃的高效区域选择性转化，克服了现有光氧化催化方法对底物适用范围的局限性，使得单电子氧化难以进行的未活化烯烃也能高效转化为伯醇及氨醇类化合物。其次，该方法以水、胺等简单分子作为亲核试剂，避免了额外的官能团预修饰步骤，使得反应条件更加温和、操作简便，并且减少了副产物的生成，从而提高了反应的绿色化学特性。

此外，该策略不仅适用于直链α-烯烃，还可拓展至环状及多取代烯烃，成功合成了一系列具有潜在药物价值的分子，如含有β-季碳中心的醇及吡啶结构单元，为有机合成和药物化学提供了新的分子骨架构建方法。

标题：Photoredox/Pyridine N-Oxide Catalyzed Carbohydroxylation and Aminohydroxylation of α-Olefins

作者：Cristina Ascenzi Pettenuzzo, Deepak Ranjan Pradhan, Jujhar Singh, Lichuan Liu, Gabe Cuffel,

Mathew J. Vetticatt,* and Yongming Deng*

链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c17657