目前，化学家们已开发出多种过渡金属催化、NHC催化、酶催化或光氧化还原催化等醛的甲酰基-选择性氘化反应。由于C-C键的解离能（BDE）高于C-H键，醛的脱羰基-氘化反应更具挑战且仍然未知（Scheme 1b）。自1965年以来，Tsuji-Wilkinson脱羰基化反应已被广泛研究，同时也是过渡金属催化C-C键断裂的重要方法。但对于高效Rh-催化体系，往往需要较高的反应温度（> 160 ˚C）。因此，开发一种温和条件下醛的脱羰基/氘化反应催化策略，具有重要的意义。鉴于大多数活性金属-碳键对水敏感，传统的过渡金属催化需在无水条件下进行。陈庆安课题组设想，通过分散高价金属中间体的电荷，重水作为强极性溶剂既可促进醛的脱羰基化过程。有可作为反应过程中的氘源，从而实现醛的脱羰-氘代。基于此，该课题组报道了一种铑催化醛与重水的氘代Tsuji-Wilkinson脱羰基化反应。
首先，作者以4-联苯甲醛1a作为模型底物，对铑催化脱羰基化反应的溶剂进行了研究（Scheme 2）。当以Rh(acac)(CO)2作为催化剂，Xantphos作为配体，水作为溶剂（具有较高介电常数）时，可以58%的收率得到脱羰基化产物2a。在确认水可以作为反应最佳溶剂之后，作者以4-联苯甲醛1a与重水作为模型底物，进行了相关反应条件的筛选（Table 1）。当以[Rh(cod)OH]2作为催化剂，Xantphos作为配体，PhNO2作为添加剂，在重水溶剂中100 ˚C下反应90 min，可以87%的收率得到脱羰基化氘代产物2a，氘掺入率>95%。同时，增加添加剂的摩尔量、升高反应温度以及延长反应的时间，可将收率进一步提高至97%。在获得上述最佳反应条件后，作者对醛的底物范围进行了扩展（Scheme 3）。首先，具有不同骨架的醛（联苯、萘、芴、蒽和芘），均可顺利与D2O反应，获得相应的氘代产物2a-2h，收率为64-87%。含有单/双烷氧基取代的苯甲醛，也是合适的底物，获得相应的氘代产物2i-2m，收率为61-82%。值得注意的是，使用更多的D2O 可实现更高的氘掺入量（如2c、2e）。其次，对于一些含有-Bpin、氰基、-Cl和-Br取代的醛，均可顺利进行反应，获得相应的氘代产物2p-2w，收率为31-78%。4-甲酰基苯甲酸可转化为相应的氘代苯甲酸2x，收率为66%，氘掺入率为91%。杂芳基醛和二茂铁甲醛，也可获得相应的产物2y-2aa，收率为67-72%。值得注意的是，廉价的对苯二甲醛可转化为相应双氘代苯2bb，氘掺入率>95%。雌酮衍生的醛，也可选择性的进行氘化，可以54%的收率获得产物2cc。除了芳香族醛以外，脂肪醛也可发生相应的脱羰氘代反应，生成氘代的甲基或亚甲基（3a-b）。然而，N-Boc-L-苯丙氨醛（3c），未能生成所需的脱羰基化氘化产物4c。当以α-氘代肉桂醛（3d）为底物，可以45%的收率获得三氘代产物4d，可能是由于在Rh-催化下苯乙烯的可逆H/D交换导致。同时，一些含有烯基取代的醛，均可顺利反应，获得相应的氘代烯烃产物4e-4h，收率为49-79%。然而，对于含有β-H的脂肪醛，仅获得了少量脱羰基化产物4i-4k，可能是由于烷基-Rh中间体的β-H消除更易形成相应的烯烃。为了进一步了解反应的机理，作者进行了相关的实验研究（Scheme 4）。首先，在溶剂对反应影响的研究中，可排除醛1a和D2O之间直接H/D交换的可能性（Scheme 4a）。其次，通过H/D交换实验表明，C-H键的断裂或生成过程可能是决速步骤（Scheme 4b）。此外，通过对1a与D2O的反应混合物GC分析，仅检测到CO。同时，对苯基苯甲酸与D2O在标准条件下，未能获得目标产物2a，从而排除了脱羧基化的反应途径（Scheme 4c）。作者提出了一种合理的催化循环过程（Scheme 5）,并认为由于氘掺入率高以及KIE实验结果，还原消除过程可能是决速步骤而非是配体交换过程。本文在相对温和的条件下，使用铑催化重水实现了对醛的高效氘代反应。该方案适用范围广，氘代度高。重水不仅可以作为氘源和溶剂，还可以通过分散高价铑的累积电荷来促进铑催化的脱碳反应。Min, X. T., Mei, Y. K., Chen, B. Z., He, L. B., Song, T. T., Ji, D. W., ... & Chen, Q. A. (2022). Rhodium-Catalyzed Deuterated Tsuji–Wilkinson Decarbonylation of Aldehydes with Deuterium Oxide. Journal of the American Chemical Society, 144(25), 11081-11087. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c04422
