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来源：研之成理收集编辑：LHSRYY
▲第一作者：Tristan von Münchow、Suman Danahttps://www.science.org/doi/10.1126/science.adg2866对映选择性氧化还原转化通常依赖于昂贵的过渡金属作为催化剂，也常常需要化学计量的氧化还原剂。电催化是一种更可持续的替代方法，特别是通过使用析氢反应(HER)代替化学氧化剂。1.本工作描述了使用钴代替贵金属催化剂进行不对称氧化的HER偶联不对称芳基碳氢键(C-H)活化反应的策略。2.本工作实现了羧酸酰胺的高对映选择性碳-氢和氮-氢(C-H和N-H)环化反应，获得了点手性和轴手性化合物。3.此外，钴介导的电催化可以通过脱氢C-H活化反应选择性去对称化制备各种磷(P)-甾体化合物。▲图1. 对映选择性电化学钴催化C-H活化的动机和策略1、电氧化C-H活化反应具有与析氢反应(HER)耦合的有机化合物后期升级的潜力，这使得该方法与依赖于化学计量试剂的多步官能团相互转化的传统方法相比具有吸引力(图1A)。2、然而，迄今为止，在电催化中开发完全选择性控制的努力取得了有限的成功。对映选择性过渡金属催化的C-H活化与电合成的结合是最近才实现的。因此，通过钯催化实现了电氧化C-H烯基化和烯丙基化反应，用于对映选择性合成对映异构体联芳基化合物和苯胺类化合物。然而，这些方法严重受限于昂贵的4d过渡金属催化(图1B)，由两个电子转移过程介导。3、利用地球上丰富的第一排过渡金属来实现对映选择性的电催化C-H活化，其机理依赖于单电子转移的基元步骤，但遗憾的是，迄今为止还无法实现。本工作质疑3d过渡金属催化剂是否可以通过使用可重复使用的、非牺牲性的对电极材料来实现高效HER的对映选择性电催化C-H活化。4、因此，本工作设计了具有高化学、区域和对映选择性的电氧化钴催化的芳基C-H活化反应，涉及C-C、C-N和C-O键的形成，以组装C-立体异构体、Atropoisomeric和P-立体异构体化合物-药物和作物保护剂中的关键结构基元(图1C)。1、首先，本工作评价了乙酸钴Co(OAc)2·4H2O作为催化剂和(S)-BINOL磷酸CPA1(CPA,手性磷酸)催化苯甲酰胺1与烯烃2的C-H活化反应(图2A)。令本工作高兴的是，目标产物3是在恒电位反应控制下形成的，尽管产率适中，为19%，但其对映体比为88.0：12.0。2、在这一阶段，观察到铂电极的钝化，这表明需要阴极过电位控制。因此，本工作接下来探索了各种添加剂，观察到特戊酸在不影响对映选择性的情况下显著提高了产率(图2A)。在这里，铂阴极的钝化不再被观察到，同时通过顶空气相色谱(GC)分析检测到分子氢证明HER是阴极半反应。3、值得注意的是，在其他条件相同的情况下，用碳酸银代替电作为化学氧化剂时，得到了非常低的对映选择性。在优化的反应条件下，本工作考察了多功能性(图2C)。多种官能团被证明是相容的，得到了具有高对映体过量值的目标产物3~23。吸电子基团(5、6、9、13、14、15)和给电子基团(4、10、11、12)以及活性氧硫醚(8)具有良好的耐受性。邻位取代底物提供了所需的产物4~6，具有良好至优异的对映控制。此外，各种N-取代的马来酰亚胺表现出非常高的对映选择性(15~20)，本工作的策略也实现了取代丙烯酰胺的螺环化反应，用于高对映选择性的双环螺环化合物21~23的组装。▲图3. 对映选择性烯烃碳胺化通过电氧化钴催化获得C-立体选择性分子1、在电氧化钴催化螺环化反应的研究结果(图2)的基础上，本工作继续以未活化的烯烃为底物进行研究，发现烯烃碳胺化反应取代了螺环化反应，表现出互补的反应活性模式，而水杨恶唑啉配体最适合实现所需的对映选择性转化(图3,A和B)。2、在优化研究中，L-缬氨醇衍生的配体L3被确定为最佳配体，可在室温下合成各种手性二氢异喹啉酮25~32，并具有优异的对映体和非对映体纯度及高收率(图3C)。3、为了评估该方法的鲁棒性和可扩展性，该反应也以十克级规模进行，并保持了高效性和高对映选择性。尽管反应规模显著增加，但反应仍以89%的法拉第效率进行，这表明了所提供电能的有效利用(图3D)。▲图4. 通过电氧化钴催化的对映选择性C-H和N-H环化反应获得轴手性分子▲图5. 通过电氧化钴催化对映选择性的C-H和N-H环化1、非对映异构体有机分子由于其显著的三维性，在药物研发中发挥着越来越重要的作用。为了确定电化学钴催化是否适用于轴手性产物的对映体诱导，设想将苯甲酰胺34与4-羟基炔酸酯35进行C-H和N-H串联环化反应，得到C-N轴手性化合物36 (图4A)。2、该反应还进行了可伸缩性研究，可以保持效率和对映选择性(图4D)。特别是使用不锈钢作为铂的替代阴极材料，突出了所开发的电氧化钴催化的整体资源经济性和制备实用性。3、在稍微改变反应条件的情况下，对映选择性电化学钴催化的应用进一步扩展到膦酰胺的去对称化反应(图5)。电催化被证明是通用的，并实现了多种对映选择性转化。值得注意的是，HER耦合的电氧化钴催化可以通过可再生形式的太阳能使用商业可用的光伏电池进行(图4E)。这些发现显示了该方法对电流和电压波动的鲁棒性。更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。