过渡金属催化的交叉偶联反应是碳-碳键形成最有用的策略，迅速实现复杂的碳骨架。在过去几十年中，交叉偶联反应使用低价铬盐来锻造碳−碳键因其天然的丰富性、低成本和低毒性而受到合成化学家越来越多的关注。例如，Nozaki−Hiyama−Kishi反应是通过有机铬化合物与醛的亲核加成反应获得仲醇的有效工具(Scheme 1a)。1996年，Fủrstner集团开发了第一个NHK反应，使用催化量的氯化铬。最近，Zhang、Glorius和Kanai通过双催化扩大了NHK反应的范围。在这些反应中，铬捕获了钴或光催化生成的自由基，形成烷基铬物种。除了NHK反应外，Knochel和Zeng还报告了在低价铬催化下C-H和C-杂原子与有机试剂的Csp₂−Csp₂和Csp₂−Csp₃的交叉耦合(Scheme 1b)。Zeng还公开了用于合成羰基的仲酰胺与芳基镁试剂的Kumada芳基化反应。尽管取得了这些令人印象深刻的进展，但进一步富集铬催化的交叉偶联以获得有价值的化学品仍然是非常可取的。

二酮是合成具有生物活性的碳环和杂环的一类有利的结构单元。因此，大量有效的合成方法已经被开发出来，包括氧化烯酸偶联、α-卤酮的亲核取代以及通过向Michael受体中添加酰基阴离子或自由基的经典stetter型反应。这些方法通常将第二个羰基引入含羰基的化学物质，而主要是通过双电子途径，通过一次操作将两个羰基直接引入一个烯烃分子仍然很少。受这些研究的启发，作者假设碳中心自由基也可以被烷基铬物种截获。据作者所知，双光氧合/铬催化烯烃二酰化合成二酮是未知的。作为作者在协同金属和光催化方面长期兴趣的一部分，作者在此公开了烯烃与α-氧羰基酸的二酰化反应，α-氧羰基酸是酰基中一类重要的酰化前体−通过铬和光催化的结合进行转移反应(Scheme 1c)。该策略提供了一条在温和条件下具有优异官能团耐受性的直接途径。

作者初步探索了在蓝色发光二极管(LED)照射下，以易得的α-酮酸2a为酰化剂的氯代苯乙烯(1a)的二酰化过程(Table 1)。对几种碱的检测表明，NaHCO3的效果最好。光催化剂fac-Ir(ppy)₃和Ru(bpy)₃Cl₂·6H₂O对转化没有促进作用(Table 1, entries 1−2)。令人满意的是，有机染料4CzIPN允许发生二酰化，以44%的产率提供二羰基产品3a (Table 1, entry 3)。Ir[dF(CF₃)ppy]₂(dtbbpy)PF₆性能较好，产率提高到65% (Table 1, entry 4)。其他溶剂，如四氢呋喃、乙腈和二甲基亚砜，不能提高反应效率(Table 1, entries 5−7)。将金属盐CrCl₂的量降低到10 mol%得到了类似的结果(Table 1, entry 8)。与CrCl₂相比，用其他金属盐(如NiCl₂、PdCl₂和CuCl)替代，未能获得更好的结果(Table 1, entries 9−11)。配体的进一步研究表明，添加10 mol%的4,4′-二甲基-2,2′-联吡啶(dmbpy)可获得稍高的产率(Table 1, entry 12)。对照实验表明，CrCl₂、铱催化剂和光对该二酰化转化的高反应性都至关重要(Table 1, entries 13−15)。

在最佳条件下，作者研究了二酰化合成1,4-二酮的一般性(Scheme 2).。在苯乙烯系列中，二羰基产品3b-r以中等至良好的产率形成(46−76%)，与苯环的取代模式无关。2-乙烯基萘(1s)可高效转化为3s，产率为62%。杂环化合物，如吡啶和噻吩，也参与了这一转化，分别以56%和47%的产率生成相应的产物3t和3u。含有氨基酸和雌酮支架的烯烃也可以以1:1 dr的中等产率生成二羰基产品3v和3w。此外，1,1-二取代和1,2-二取代烯烃−aa也是交付二羰基产品3倍的合格基质−aa在50−67%的收益率。例如，环状内烯烃1aa允许以53%的产率以4:1 dr形成环状二羰基产物3aa。此外，作者还检查了甲基丙烯酸甲酯(1ab)在标准条件下的二酰化反应。可以成功地提供所需的二酮产品3ab，尽管产率适中。然而，在优化的条件下，单烷基烯烃不能在烯烃未接触的情况下参与该转化。其次，还考察了α-羰基甲酸的底物范围。4-氰基苯乙烯(1k)作为代表性的二酰化伙伴。关于芳基环的电子性质的影响，含芳基的α-酮酸(含电子注入基团和缺电子基团)效果良好。因此，二酮产品3ac−af以中等至良好的产量获得(71−81%).。在苯环的4位带有三氟甲基取代基的酮酸生成3ag，产率降低46%。3位甲基的安装对反应结果没有明显影响，3ah的产率为79%。此外，在该催化剂中还研究了空间体积较大的二取代和三取代的α-氧羰基酸，它们可以转化为二羰基产物3ai−am，以64−80%的收益率。当使用2-萘基取代的酮酸时，观察到产率稍低。

为了证明目前合成1,4-二酮的方法的可行性，使用5 mmol 1a在克级上进行催化，在3天内得到二酰化产物3a，产率略低(63%)(Scheme 3a)。为了进一步强调1,4-二酮加合物在构建杂环方面的合成价值，^作者研究了使用1,4-二酮3b作为代表性底物的合成转化(Scheme 3b)。在110℃下，4-甲苯磺酸促进3b在甲苯中缩合生成2,3,5-三取代呋喃4a，产率为92%。在125°C下用水合肼处理3b，得到3,5,6-三取代二氢哒嗪4b，产率为73%。3b与醋酸铵或苯胺在醋酸中的转化分别得到2,3,5-三取代吡咯4c和1,2,3,5-四取代吡咯4d，产率分别为95%和81%。

作者进一步探索了1,6-和1,7-二酮合成的底物范围(Scheme 4)。烷基烯烃成功地应用于二酰化反应。在使用2,3-二甲基-1,3丁二烯(5)的过程中观察到排他性区域选择性，这导致50%的线性产物7a-c−61%的产量，中等E/Z比。关于1,7-二酮的形成，在二酰化反应中可以容忍含有各种取代基的乙烯基环丙烷，产生各种开环产物。具有给电子和吸电子官能团的芳基取代乙烯基环丙烷(−Me，−SMe，−Br)在苯环的4-位被证明是合适的合作伙伴，具有良好的反应效率。2-噻吩基取代乙烯基环丙烷6e与2a反应良好。所需的1,7-二酮加合物8e的产率为62%，E/Z比为1:10。乙烯基环丙烷6f和6g与苯环对位和正位的甲氧基反应，以合理的产率和良好的E/Z比得到目标产物8f和8g。甲基取代烯烃6h以较低的E/Z比参与了开环过程。甲基取代乙烯基环丙烷6i的二酰化反应不成功。

为了阐明其机理，进行了对照实验(Scheme 5)。在标准条件下，加入化学计量比为2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基(TEMPO)或PhSeSePh后，二酰化过程被完全抑制。相关的自由基捕获加合物9和10通过高分辨率质谱检测以53%产率分离(Scheme5a)。这些结果表明，酰基自由基参与了二酰化反应。在环境温度下，在蓝色LED照射下，在1,4-二氧六环中用5当量的TEMPO或PhSeSeph处理α-氧羰基甲酸2a24小时，得到苯甲酰TEMPO 9或Se-苯基苯甲硒酸盐(10)，这表明α-酮酸2a在上述条件下可以进行光分解(Scheme 5b)。在其他相同的二酰化条件下，α-氧代羰基化钠11与乙醛酸2a反应生成1,4-二酮产物3a，产率仅为9%(Scheme 5c)。这些机理研究表明，α-氧羰基酸在辐照下的光分解对交叉偶联至关重要。此外，Cr(II)/dmbpy络合物的循环伏安法显示在室温下还原−与CH3CN中的Hg/Hg2Cl2相比，0.89V可能对应于Cr(II)还原为Cr(I)。量子产率(Φ=0.47)的测量表明该转化为一个封闭的催化循环。方案6中描述了转换的合理机制。开始苯乙醛酸2a的碱介导脱质子提供α-氧羰基化物A。基态Ir(III)催化剂在蓝光LED照射下产生的光激发Ir(III)络合物(E[(*Ir(III)/Ir(II)]=+1.21 V vs SCE)通过单电子转移和脱羧氧化α-氧羰基化物A(E1/2red=+1.03 V vs SCE)(详见图S1)以获得酰基自由基物种B和Ir(II)光催化剂。同时，2a经历光诱导分解以产生相应的酰基B和羧基C，其可氧化Ir(II)光催化剂(E[(Ir(III)/Ir(II)]=−1.37 V对SCE)，以完成光催化循环。此外，羧基C还可以通过氢原子转移和自由基脱羧过程与酮酸2a反应生成酰基B。然后酰基自由基B添加到烯烃1中以提供苄基D。由Ir(II)光催化剂对Cr(II)物种的单电子还原潜在生成的阴离子Cr(I)催化剂可同时捕获酰基自由基B和苄基D并生成稳定的四重Cr(III)中间体G。Cr(III)络合物G的还原消除提供最终1,4-二酮产物3和低价Cr(I)物种。同时，烷基铬物种对羰基、铬催化的烯烃聚合或单酰化产物的亲核加成可能发生竞争。

通过密度泛函理论(DFT)计算来研究铬催化循环，以获得更多关于1,4-二酮形成的机理。计算结果表明，四元阴离子Cr(I)物种⁴cat-1是最稳定的铬催化剂。四重Cr(I)物种⁴cat-2含有一个α-酮酸而不是dmbpy的配位，其能量与⁴cat-1相当。因此，⁴cat-1和⁴cat-2都通过Cr(I)的连续单电子氧化催化1,4-二酮的形成，然后是对C−C还原消除进行了研究。如图1所示，阴离子Cr(I)催化剂可以同时捕获酰基自由基B和苄基D，并生成稳定的四重Cr(III)中间体。这一过程被证明是高效的。后继C−C通过⁴TS-1从⁴13还原消除需要22.5 kcal/mol的能垒，这比通过⁴TS-2从中性Cr(III)物种⁴14还原消除的类似过程低6.5kcal/mol。相似的C−α-酮酸配位阴离子Cr(III)物种⁴16经⁴TS-3的C还原消除具有22.4kcal/mol的势垒，与⁴TS-1的势垒接近。因此，^作者的计算研究证实，用四元阴离子Cr(I)催化剂捕获自由基以生成Cr(III)物种在热力学上是有利的，并且以下C−C从Cr(III)物种中还原消除对于1,4-二酮产物的形成在动力学上是可行的。

综上所述，介绍了双光氧化还原/铬催化烯烃二酰化反应。α-氧羰基酸的光分解和酰基自由基对铬物种的添加使两种碳的连续形成成为可能−碳键。计算研究表明，1,4-二酮产物是通过C−C四元阴离子铬Cr(III)中间体的还原消除。二酰化法在温和条件下从具有良好官能团相容性的可用烯烃中提供了范围广泛的有价值的1,4-、1,6-和1,7-二酮。重要的是，通过构建重要的杂环(呋喃、吡咯和二氢哒嗪)衍生物，说明了该方案的合成实用性。^作者预计，这种温和的双催化策略将在有机铬化学的合成潜力中有广泛的应用。

DOI: 10.1021/acscatal.1c05672