二碘化钐催化有机反应的研究进展

Research Progress on Samarium Diiodide-Catalyzed Organic Reactions

摘要: 二碘化钐(SmI₂)作为一种独特的单电子转移(SET)还原剂，自1977年被Kagan课题组首次系统报道以来，已成为有机合成中构建复杂分子骨架的核心工具。传统SmI₂反应依赖化学计量比试剂，存在原子经济性低、废弃物排放多等局限。近年来，催化量SmI₂体系的开发突破了Sm³⁺产物络合物难以解离的关键瓶颈，通过还原剂再生、电子循环、光化学驱动等策略实现了催化剂的高效循环。本文系统综述了SmI₂催化反应的核心机制：使用化学计量比的牺牲金属还原剂、通过反向电子转移(BET)将电子循环回收钐，以及光化学再生的最新进展。

Abstract: Samarium diiodide (SmI₂), as a unique single-electron transfer (SET) reductant, has become a central tool in constructing complex molecular frameworks in organic synthesis since it was first systematically reported by Kagan’s group in 1977. Traditional SmI₂ reactions rely on stoichiometric amounts of reagents, which have limitations such as low atom economy and high waste generation. In recent years, the development of catalytic SmI₂ systems has overcome the key bottleneck of difficult dissociation of Sm³⁺-product complexes, achieving efficient catalyst turnover through reductant regeneration, electron cycling, as well as electrochemical and photochemical driving strategies. This review systematically summarizes the core mechanisms of SmI₂-catalyzed reactions: the use of stoichiometric sacrificial metal reductants, electron cycling back to Sm through back electron transfer (BET), and the latest advances in photochemical regeneration.

1. 引言

SmI₂是一种独特的二价镧系还原剂，其还原电位在THF中为−1.55 V vs. SHE [1] [2]。可通过添加剂(如HMPA、水/胺体系)灵活调控，能够选择性激活羰基、卤代烃、烯烃、亚胺等多种官能团[3]-[7]。在过去四十余年中，SmI₂介导的反应已广泛应用于还原偶联、环化反应、去芳构化、脱保护等领域，尤其在复杂天然产物全合成的后期关键步骤中展现出不可替代的价值[4] [5]。然而，传统化学计量比的使用模式导致钐资源浪费、产物分离复杂，且产生大量金属盐废弃物，与可持续合成的发展理念相悖。

开发催化型SmI₂体系的核心挑战在于Sm³⁺的高效再生。Sm³⁺与反应产物(如醇盐、酯基)形成的络合物稳定性高，难以自发解离，如图1。近年来，催化策略的革新不仅解决了可持续性问题，更解锁了传统化学计量体系难以实现的反应路径，推动SmI₂在药物合成、材料化学、绿色化工等领域的广泛应用。截至2025年，已有超过13,500篇相关研究报道，但催化类研究仅占0.3%，仍存在巨大的发展空间[8]。

Figure 1. The most common method for preparing SmI₂ solution in THF and its electronic structure

图1. THF中SmI₂溶液制备的最常用方法及其电子结构

2. 二碘化钐的基础特性与催化核心机制

2.1. 物理化学特性

SmI₂常温下为深色固体，在四氢呋喃(THF)中形成深蓝色溶液，是其最适反应体系。该试剂对氧气和水高度敏感，需在惰性气体氛围下储存与操作，常用制备方法为金属钐与碘代烷在THF中直接反应。其核心特性在于可调的还原能力，添加HMPA后还原电位可降至−2.05 V，能够激活酯、酰胺等更难还原的官能团。此外，SmI₂的反应活性与选择性可通过配体、添加剂、溶剂等多重因素调控。例如，路易斯碱(如HMPA、DMPU)可通过与Sm²⁺配位增强其给电子能力，质子源(如t-BuOH、三氟乙醇)则可促进Sm³⁺产物络合物的解离，提升催化循环效率。

2.2. 催化核心机制

SmI₂催化反应的本质是Sm²⁺/Sm³⁺的氧化还原循环，核心过程分为三步：单电子转移(SET)，中间体转化，解离Sm³⁺产物络合物，将Sm³⁺还原为Sm²⁺，完成催化循环。其中，Sm³⁺产物络合物的解离与Sm³⁺的还原是催化循环的关键步骤。

3. 二碘化钐催化的策略与进展

3.1. 牺牲金属还原剂

为解决早期SmI₂化学反应中固有的化学计量试剂使用局限性，早期研究者率先探索了牺牲末端金属还原剂的应用策略。该方法采用化学计量的廉价易得还原剂(通常为低价金属)，Sm^II通过还原性单电子转移(SET)向底物传递电子，引发所需的自由基化学反应。当羰基还原时，生成的自由基会与Sm^III结合。自由基反应通常产生产物结合型Sm^III中间体。将底物转化后生成的Sm^III副产物再生为活性Sm^II物种，从而实现催化循环。如图2所示：

Figure 2. General cycle using a stoichiometric sacrificial terminal reductant for Sm^II-catalysis

图2. 使用化学计量牺牲末端还原剂的Sm^II催化一般循环

3.1.1. 利用化学计量比牺牲还原剂实现Sm^II再生

该策略是最早发展的SmI₂催化模式，通过添加廉价低Valent金属(如Mg、Zn、混合稀土金属)作为牺牲还原剂，实现Sm³⁺的再生，同时需引入亲电添加剂(如Me₃SiCl、MgI₂)促进Sm³⁺产物络合物的解离。

1997年[9]，Corey及其同事在催化酮环化反应中应用了SmI₂/Zn(Hg)汞齐体系，该反应可生成螺内酯产物。在此体系中，碘化锂和三甲基硅基三氟甲磺酸酯(Me₃SiOTf)被发现对于提高催化周转率至关重要(如图3)。

1999年[10]，Namy及其研究团队开创性地将廉价的混合金属作为SmI₂催化反应的有效末端还原剂。他们提出，Sm^II的再生过程是通过混合金属还原Sm^III醇盐实现的，该过程可能涉及盐的复分解步骤和有机钐中间体。值得注意的是，该体系在某些偶联反应中省去了硅基亲电试剂的使用，虽然简化了实验流程，但也导致稀土金属废料的产生量进一步增加(如图4)。

Figure 3. SmI₂-catalyzed ketone cyclization reaction

图3. SmI₂催化酮环化反应

Figure 4. Mixed-metal reduction SmI₂ catalytic system

图4. 混合金属还原SmI₂催化体系

采用低价金属还原剂在SmI₂化学反应中实现催化周转，标志着向更进一步研究迈出的关键第一步。这些研究还强调添加剂在促进Sm^III释放及高效Sm^II再生中的关键作用，并为后续方法优化奠定了基础。

2005年[11]，Greeves团队采用四乙二醇二甲醚作为螯合添加剂，与SmI₂、Mg(0)及二氯二甲基硅烷共同应用于分子间蒎烷偶联反应(如图5)。同年，Kanomata团队报道了Mg(0)/HMPA/Me₃SiCl体系用于SmI₂催化的分子内蒎烷偶联反应，但需过量牺牲性还原剂与亲电试剂才能实现催化转化[12]。

Figure 5. SmI₂-catalyzed coupling reaction

图5. SmI₂催化的偶联反应

2019年[13]，Maity和Flowers团队对Mg(0)/Me₃SiCl基催化体系进行了深入的机理研究，发现引入质子供体(如三氟乙醇)可显著提升催化效率。他们的研究提供了有力证据：活性催化剂会随反应时间推移发生演变—当氯化硅添加剂生成氯化物时，SmI₂会转化为更强效的还原剂SmCl₂。这种钐盐的复分解反应，解释了为何某些催化体系能还原那些通常难以被化学计量比SmI₂还原的底物。

这些研究的共同点在于使用廉价的牺牲性低价金属还原剂和硅烷化试剂。通过优化反应条件，试剂化学计量、加成速率和添加剂的选择，以实现高效催化。尽管成功减少了对化学计量SmI₂的依赖，但该策略在整体效率、成本和废物产生方面仍面临局限并且添加剂常以化学计量使用，进一步降低了整体工艺的原子经济性。

3.1.2. Sm^III烷氧基化合物的质子解离

2024年[14]，Reisman和Peters及其同事报道了在使用锌作为化学计量还原剂的Sm^II催化领域的一项重要进展(如图6(a))。该研究的核心焦点是长期以来由羰基底物生成酮基自由基时形成的强Sm^III-O键所引发的高效催化难题，这些键也存在于交叉偶联产物中。为解决这一问题，作者采用吡啶鎓盐与化学计量碘源碘化镁相结合，裂解Sm^III-O键并生成SmI₃ (如图6(b))。

Figure 6. Sm^II-catalyzed ketone-alkene coupling/cyclization using a Sm^III-alkoxide protonolysis approach

图6. 使用Sm^III-醇盐质子化方法的Sm^II催化酮–烯烃偶联/环化

3.2. 电子循环

自由基接力催化(又称“电子循环”)是Sm^II催化的一种现代替代方案，具有优异的原子经济性[15]。该方法的典型应用包括还原邻近应变环的功能基团，通过自由基裂解促进环加成反应。通用催化循环始于Sm^II对功能基团A的SET还原，形成Sm^III-A键(如图7)。由于新生成的自由基邻近应变环体系，可发生β裂解生成自由基。随后C位捕获自由基并发生自由基环化，使自由基重新回到A位。最终通过BET至Sm^III，断裂Sm^III-A键，释放产物并再生Sm^II催化剂。迄今为止，SmI₂自由基接力催化已在环加成反应中成功形成两个新的碳碳键。该策略成功实施的关键考量包括：i) 初始自由基与产物自由基的不稳定性差异；ii) 自由基在整个催化循环中的转移效率与Sm^II还原生成碳负离子的效率对比。

Figure 7. General catalytic cycle for Sm^II-catalysis exploiting a radical relay mechanism

图7. 利用自由基接力机制的Sm^II催化的一般催化循环

3.2.1. 环丙基酮的开环反应

2021年，Procter课题组发表一系列研究，展示利用自由基传递策略驱动SmI₂催化反应的成果。该方法无需化学计量比的还原剂和亲电添加剂，多数情况下仅需催化量的SmI₂。反应工艺已从分子内自由基(3 + 2)环加成发展至芳基环丙基酮的分子间偶联反应，近期更拓展至反应活性较低的烷基酮(如图8(a)) [16] [17]。早期涉及芳基酮底物的工艺实现了高产率立体控制的复杂五元环体系和高度修饰的环戊基体系(如图8(b))。这些实验方案仅需简单的实验装置且无需外源反应物，相较于化学计量比牺牲还原剂策略，能显著减少副产物生成。

Figure 8. Radical relay mechanisms drive SmI₂-catalyzed (3 + 2)-cycloadditions

图8. SmI₂催化的(3 + 2)环加成反应

2024年[18]，Procter课题组采取烷基环丙基酮类底物，这类底物因氧化还原电位较低且反应活性不足而具有挑战性(如图9)。拓展了催化自由基(3 + 2)环加成的底物范围。利用酮基自由基介导环丙烷环开启的策略，实现与烷烃和醛类的单组分多组分立体选择偶联。该方法利用双氮二硼基作为双作用剂。它促进了CPK的自由基介导环开启，随后通过烯基二硼基序参与醛的立体选择性加成。

Figure 9. Intermolecular coupling of alkyl ketones with alkynes/alkenes catalyzed by SmI₂

图9. SmI₂催化烷基酮与炔烃/烯烃分子间偶联

2025年[19]，Sharma及其同事采用Procter团队的催化体系和方法，利用催化SmI₂/Sm⁰在环加成反应中合成空间位阻大的硼取代环戊烯，底物为二硼基取代的环丙基酮(如图10)。尽管在开发SmI₂催化的环丙基酮环加成反应方面取得进展，该方法仍存在局限性。在处理更具挑战性、反应缓慢的底物时，需要亚化学计量零价钐。

Figure 10. SmI₂-Catalyzed cyclopropyl ketone ring addition

图10. SmI₂催化环丙基酮环加成

3.2.2. 其他含酮张力环的开环

Procter课题组还研究了SmI₂催化的其他含外环酮的应变体系的裂解与偶联反应[20]-[22]。2023 [23]年，他们报道了一种通过分子间作用实现SmI₂催化合成取代双环[2.1.1]己基酮的方法。双环[1.1.0]丁基酮与缺电子烯烃的偶联反应(如图11)。这些BCH骨架作为新型饱和生物异构体，对邻位和间位二取代苯类化合物具有特殊研究价值[21]。该工艺效率高，仅需低剂量SmI₂催化剂且无需任何添加剂，可制备一系列高价值的烷基和芳基酮。虽然自由基中催化法通常仅需SmI₂即可实现，具有高原子经济性和操作简便性，但该方法目前仅适用于含有应变环的特定底物家族，其催化作用由应变环的断裂驱动。

Figure 11. SmI₂-Catalyzed synthesis of substituted bicyclo [2.1.1] hexanones

图11. SmI₂催化合成取代双环[2.1.1]己基酮

3.3. 光化学策略

近年来，一种利用可见光能量催化Sm^III盐还原的新方法应运而生。该方法通过含有发色团的配体，在牺牲性还原剂存在下实现催化。当光活性配体与Sm^II结合时，催化循环可沿两条不同路径进行：非产率型Sm^III发光循环和产率型Sm^II催化循环(如图12) [24]。在Sm^III发光循环(左侧循环)，发色团与Sm结合进入激发态(Sm^II-PS^*)。该光激发的发色团随后发生ISC和能量转移EnT至Sm^III中心，生成Sm^III激发态(^*Sm^III)，最终通过发光淬灭[25]，该过程本质上效率低下。在高效的Sm^II催化循环(右侧循环)，Sm^III络合物(Sm^III-PS^*)作为强效还原剂，直接将Sm^III还原为Sm^II，生成自由基。该自由基阳离子可通过适当牺牲电子供体进行还原淬灭，从而完成目标还原转化并使循环闭合。成功实施该策略的关键因素包括光化学步骤的量子效率、光敏剂的选择以及电子供体在体系中的相容性。

Figure 12. A general photocatalytic cycle involving Sm^II bound to a photoactive ligand

图12. 涉及Sm^II与光活性配体结合的一般光催化循环

3.3.1. 基于香豆素的配体用于光诱导电子转移(PET)

2023年[26]，Borbas及其同事报道了通过原位还原具有光激发香豆素配体的钐上稳定的Ln^III前体，光催化生成Ln^II还原剂(如图13)。尽管该研究主要关注Eu^II催化的反应，但制备了两种Sm^III配合物并在多种反应中进行了测试。

Figure 13. Light-activated coumarin ligand

图13. 光激发香豆素配体

在此基础上，2024年[27]，Borbas团队报道了一种Sm^III香豆素多联体，用于Sm^II光催化还原含羰基化合物以生成相应的醇或1,2-二醇产物(如图14)。其策略的关键在于利用可见光通过牺牲化学计量电子供体实现Sm^III前催化剂的光化学再生Sm^II。随后，该策略还被应用于固氮反应及其他小分子(如CO、二氧化碳、MHCO₃)的还原[28] [29]。

3.3.2. 用于PET的蒽基配体

2024年[30]，仓原、内本及其团队报道了一种可见光介导的Sm^II催化方法，该方法通过双齿膦氧化物配体DPA-1实现配体辅助光电子转移(如图15)。与Borbas团队的方法类似，该方法将Sm^III预催化剂转化为具有催化活性的Sm^II物种，使其在整体净还原催化体系中发挥作用。总之，该研究提出了一种基于可见光驱动的Sm^II催化新策略，以使用蒽基配体进行的吡喃醇型偶联反应为例。当使用替代的、推测为氧化还原惰性的Ln^III盐代替钐时，观察到存在适度的背景反应生成吡喃醇产物。

Figure 14. Coumarin 343 system for Sm^II-photocatalyzed pinacol coupling

图14. Sm^II光催化香豆素343体系的邻二醇偶联反应

Figure 15. Photocatalyzed Sm^II coupling reactions of aryl aldehydes and ketones

图15. 光催化Sm^II催化芳基醛和酮的偶联反应

3.3.3. 利用外源光催化剂的途径

2024年[31]，Peters及其同事报道了一种利用Sm^II的光催化催化方法，该方法通过光催化剂将Sm^III再生为Sm^II，并采用Hantzsch酯作为还原剂。这项研究被应用于Sm^II催化的分子间酮烯交叉偶联与内酯化反应中(如图16)。光激发态^*HEH₂具有足够还原性，可将Sm^III还原生成Sm^II [34]。然而文献报道HEH₂的量子产率较低且激发态寿命较短，为此，开发了一种使用光氧化还原催化剂的方案，该催化剂能够生成高还原性Ir^II物种，并通过电子供体将Sm^III转化为Sm^II。该研究标志着与以往Sm^II催化光化学策略的重要突破，将光催化这一成熟领域与Sm^II相结合，无需制备光活性Sm^II配合物。该方法最显著的特点是首次在提出的双催化体系中使用铱光催化剂，以应对SmI₂催化的挑战。

Figure 16. Photocatalytic Sm^II-Catalyzed ketone-alkene coupling/cyclization

图16. 光催化Sm^II催化酮–烯偶联/环化

4. 总结

本综述系统梳理了SmI₂催化体系的多种研究路径。SmI₂化学的独特反应活性与选择性备受关注，但令人意外的是，专门开发Sm^II催化体系的研究却寥寥无几，这充分说明该领域仍面临诸多挑战。近年来研究取得显著进展：不仅实现了化学计量金属还原剂与SmI₂的协同催化，还涌现出借鉴光催化与电催化技术的创新Sm^II催化体系。部分研究还采用便捷的Sm^III前催化剂，实现Sm^II的原位生成，如表1。

Table 1. Comparison of different catalytic strategies

表1. 不同的催化策略对比

策略	核心活化机制	局限性/缺点	典型适用反应类型
金属还原 (如Mg, Zn, Mn)	金属单质作为终端还原剂，消耗性地再生Sm^II	1) 需化学计量金属添加剂，反应体系可能变浑浊不均一。	传统Barbier型反应、偶联反应、需要强还原条件的底物。
自由基接力 (如HAT催化剂)	通过氢原子转移，将有机自由基中间体“接力”给SmI2，再生Sm^II	1) 依赖特定HAT催化剂(如硫醇、硅烷)，成本可能较高。 2) 催化效率受HAT步骤动力学限制。	还原性自由基环化、官能团化、脱卤反应、与烯烃的加成反应。
光催化	光敏剂(PC*)在光激发下单电子氧化Sm^III至Sm^II，实现闭环催化循环	1) 需额外光敏剂和专用光源，操作复杂度增加。 2) 反应可能受溶剂透光性和容器影响，对空气和水分敏感，需严格除氧。	对条件极其敏感的复杂分子后期官能团化、不对称合成、与高分子量生物活性分子的反应。

尽管新型Sm^II催化方法仍存在局限性，且在转化类型和选择性方面尚未实现普适性，但每一步进展都为理解其机理提供了关键依据，并为Sm^II化学研究开启了新篇章。特别是近年来的光催化体系，利用可见光以驱动Sm^II催化而备受瞩目。通过设计更有效的配体体系来更好地调控Sm配合物的配位与稳定性，有望在较低Sm负载量下实现更高效的催化。总之，相较于采用SmI₂进行催化反应的“一刀切”方法，一套适用于Sm^II催化的实用体系可能很快就能提供所需的通用性。最终，利用SmI₂在催化领域独特丰富的选择性化学特性，将带来突破性机遇。