编者语：
“该研究激活沉睡130年的教科书反应，实现温和条件下多类高难度有机转化，为可持续化学提供新平台。这说明重新审视那些沉睡在教科书中的经典反应，可能会催生出生机勃勃的创新。”
01
背景介绍
铁，是地壳中含量最丰富的金属之一，年开采量占所有金属的93%。与昂贵的钯、铑等贵金属相比，铁不仅成本低廉，而且环境友好、毒性低，是实现绿色化学的理想催化剂。然而，铁催化面临一个核心挑战：如何将常见的三价铁（Fe(III)）还原成具有高反应活性的低价铁（如Fe(I)或Fe(0)）。传统方法依赖于格氏试剂、钾石墨等强还原剂，它们犹如“化学猛兽”，虽然威力巨大，但选择性差，容易破坏许多敏感的官能团，限制了其在复杂分子合成中的应用。
与此同时，一个被称为配体到金属电荷转移（LMCT）的光化学过程近年来受到关注。当光照射到某些金属配合物时，能量会促使配体的电子跃迁到金属离子上，形成高能激发态，从而引发独特的化学反应。其中，草酸铁（Ferrioxalate）是LMCT光化学的“元老级”模型。早在130多年前，科学家就发现它在光照下会分解，产生二价铁（Fe(II)）和二氧化碳（图1）。这个反应如此高效和稳定，以至于一直被用作测量光强度的“标尺”（光度法），但从未有人想过将它用于创造新的化学键。
图1. 铁的氧化还原循环及Ferrioxalate光解过程
2026年01月01日，西班牙穆尔西亚大学的Fabio Juliá等在Science期刊发表题为“Ferrioxalate photocatalysis: A multitasking platform for reductive iron catalysis”的研究论文（图2）。该研究独辟蹊径，利用草酸铁在光照下必然产生低价铁这一特性，反过来将其发展为一种强大的催化工具，成功地将这个经典的“测量工具”变成了一个“合成工具”，开发出“草酸铁光催化”新平台。该平台的核心妙处在于，草酸盐本身在黑暗中非常温和，不与其他分子反应；一旦见光，它就“变身”为强大的两电子还原剂，唯一产生的副产物是无害的CO2（图3A和3B）。基于此平台，研究团队成功开发了包括芳基卤化物脱卤、烯烃氢芳基化、烯烃羧基化、以及烯酮与丙烯酸酯的反极性交叉偶联在内的多种全新合成方法（图3D），展现了其广泛的底物适用性和优异的化学选择性，为可持续的铁催化开辟了新前景。
图2. 文章截图
02
图文解析
1.核心原理：光如何让草酸盐“牺牲自己，成全铁”
草酸铁光催化的核心过程犹如一场精心编排的“分子舞蹈”（图3C）：
（1）光激发：当可见光（如390 nm蓝光）照射到草酸铁复合物时，LMCT过程发生，草酸根上的一个电子被激发并转移到中心的三价铁（Fe(III)）离子上。
（2）键断裂：这种能量注入导致一个铁-氧键发生均裂，产生一个一电子还原的铁物种（Fe-1）和一个草酰基自由基。
（3）脱羧与活化：草酰基自由基极不稳定，会迅速脱去一个二氧化碳（CO2），生成关键的活性中间体（Fe-2）。这个Fe-2可以被描述为一个与强还原性CO2•–自由基耦合的Fe(II)，或者更活泼的Fe(I)物种。正是这个Fe-2，成为了后续所有神奇反应的“发动机”。
（4）净还原：整个过程下来，一个草酸根离子（C2O42-）牺牲了自己，变成了两分子CO2，同时为体系提供了两个电子，将Fe(III)还原。而铁催化剂在反应结束后又恢复到初始状态，循环使用。
与需要额外光敏剂（如贵金属铱、钌的配合物）的金属光氧化还原催化不同，在这个体系里，铁自身就是光催化剂，实现了“一身二任”，大大简化了体系。
图3. Ferrioxalate光催化的基础与起源
2.初试锋芒：挑战“硬骨头”芳基氯化物
芳基氯化物由于碳-氯键牢固，还原电位极负（低于-2.5 V），是检验还原体系能力的试金石。大多数传统光催化剂都对它无能为力。研究团队首先用4-氯苯甲醚来测试Fe-2的还原能力。
结果令人振奋（图4A）：在仅使用5%的廉价三价铁盐（如FeCl3）和三个当量的草酸铵作为还原剂，在390 nm LED灯照射下，以96%的高收率获得脱氯产物。对照实验证明，光、铁、草酸盐三者缺一不可。更有趣的是，他们发现铁催化剂的用量需要控制在较低水平（1-10%），用量过高反而会失效。这是因为高浓度下，生成的Fe(I)容易与未反应的Fe(III)发生“同元素化合反应”生成Fe(II)，从而消耗掉活性物种，这恰恰反过来证明了Fe(I)这类高活性中间体的存在。
图4. 光催化条件下Ferrioxalate的初始反应性研究
3.精准调控：配体“指挥棒”改变反应路径
Fe-2的化学反应性非常独特。研究人员比较了Fe-2与CO2•–自由基对丙烯酸甲酯的反应（图4B）。CO2•–会优先与烯烃发生氢原子转移（HAT），生成自由基然后二聚。而当使用FeCl3作为光催化剂时，主要产物变成了烯烃的还原二聚体，这说明被铁配位的活性物种（Fe-2）其还原性更强，而自由基特性减弱。
更巧妙的是，通过添加不同的配体（如联吡啶衍生物），可以像使用“指挥棒”一样，精细调控Fe-2的化学性质，从而改变反应的选择性。例如，加入4, 4'-二甲氧基联吡啶（dMeObpy）能进一步提高还原二聚的选择性，这为根据目标产物定制催化体系提供了可能。
4.合成应用
（1）复杂药物分子的“温和脱氯”
研究团队成功地对一系列结构复杂的药物分子或其中间体进行了脱氯反应（图5A）。这些分子通常含有胺基、羟基、磺酰基等容易与强还原剂反应的敏感官能团，目标脱氯反应以优异的收率完成（产物5-12）。这凸显该方法卓越的化学选择性和官能团兼容性，为药物研发中后期对分子进行精准修饰提供了强大工具。
（2）无需氢源的新型“氢芳基化”
构建碳-碳键是有机合成的核心。其中，还原性Heck反应（即用芳基卤化物和烯烃反应，生成加氢的芳基化产物）通常需要额外的氢气或氢化物给体。而该研究开发的方法，在仅含水、无需任何传统氢源的条件下，实现了烯烃与芳基溴化物的氢芳基化（图5B）。
一系列芳基溴化物和未活化烯烃都能顺利反应（产物13-27）。机理实验表明，反应可能经历了芳基自由基中间体。当使用氘水（D2O）时，产物中高效地掺入了氘原子（产物25-27）。这说明水分子是氢原子来源。这提出了一种全新的反应机制：反应可能经历了“自由基-极性交叉”过程，即自由基中间体被铁物种捕获生成有机金属中间体，然后水分子进行质子解。这为利用廉价、安全的水作为氢源打开了新思路。
基于此，团队还发展了一个优雅的串联反应：利用邻溴苯甲腈与烯烃反应，通过分子内的自由基加成/环化，一步高效地构建了茚酮类化合物（图5C，产物28-33）。这类结构广泛存在于天然产物和药物分子中，传统方法合成步骤繁琐。
图5. 烷基卤化物在Ferrioxalate光催化合成中的应用
（3）巧用CO2•–实现羧基化与交叉偶联
Fe-2本身包含一个活化的CO2单元，研究人员巧妙地将这一特性用于烯烃的氢羧基化反应（图6A）。在这里，草酸盐既作还原剂，又作羧基来源，真正实现了“物尽其用”。多种未活化烯烃（34-39）乃至吲哚的羧基化脱芳构化（40）都能顺利进行。
最后，该平台还实现了一项前所未有的转化——烯酮与丙烯酸酯类化合物的还原交叉偶联（图6B）。通常，烯酮是作为“亲电体”被亲核试剂进攻。但在此体系中，Fe-2能够将烯酮还原成“亲核体”的烯醇负离子等价物，去进攻另一分子缺电子烯烃，从而构建了有价值的C(sp3)-C(sp3)键（产物43-56）。这种方法与传统的光催化[2+2]环加成路径完全不同，展示了草酸铁光催化在开拓新反应类型方面的强大能力。
图6. Ferrioxalate光催化在烯烃羧化和还原偶联反应中的合成应用
03
总结
该研究成功地将一个已有130年历史的、主要用于物理测量的光化学现象，创造性地转化为了一个功能强大的合成化学平台。该研究发现了铁草酸盐LMCT激发态在合成化学中的全新价值，证明了铁可以作为独立的光催化剂，无需贵金属光敏剂辅助，实现了“简约而不简单”的催化设计。研究成功实现了脱卤、氢芳基化、羧基化、交叉偶联等五种不同类型的挑战性反应，且具有优异的化学选择性和官能团兼容性，可直接用于复杂分子的后期修饰。另外，揭示了水作为氢源的新途径以及烯酮的“极性反转”反应，为未来开发更多新反应提供了理论依据和灵感来源。
04
展望(巨人肩上前行)
1. 将此“差异还原”策略推广至其他丰产金属（如铜、锰）的草酸盐体系，开发新的LMCT催化平台
2. 精确地捕捉和表征Fe-2等关键活性中间体的结构和反应动力学
文献信息
Carlos Bernabeu, Sergio Adalid, Sara Colombo, Nojus, Partha Pratim Sen, Ken Okuno, and Fabio Juliá, Ferrioxalate photocatalysis: A multitasking platform for reductive iron catalysis, Science, 2026, 391(6780), 84-89. 10.1126/science.aeb1702
声明：
1. 版权：推送内容仅供学习交流分享使用，无任何商业用途，如有侵权，请联系后台删除或修改，感谢支持。
2. 投稿：非常欢迎各位老师在公众号上介绍课题组前沿或经典研究成果！后台或邮箱联系即可！
热门跟贴