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来源：高分子科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
对映选择性电化学钴催化的芳基C-H活化反应
在过去十年中，有机电化学成为分子合成的一种越来越可行、环保的平台。该平台提供了独特的机理途径，并通过电力替代了昂贵且浪费密集的氧化还原剂。因此，电氧化C-H活化反应具有与析氢反应（HER）相结合的潜力。与依赖于多步官能团与化学计量试剂相互转化的传统方法相比，这种方法更具吸引力（图1A）。然而，尽管对于选择性控制的努力已经取得了一定的成功，但至今为止，在电催化中实现完全选择性控制只取得了有限的成功。对于映选择性过渡金属催化的C-H活化与电合成的合并，直到最近才实现。现有的方法只能使用昂贵的4d过渡金属催化（图1B），并且涉及两个电子转移过程。不幸的是，在对映选择性电催化C-H活化中使用第一排过渡金属，该活化依赖于单电子转移基本步骤，并且其机理尚不清楚。基于以上背景，德国哥廷根大学Lutz Ackermann教授课题组描述了HER偶联的对映选择性芳基碳氢键（C-H）活化反应的策略，使用钴代替贵金属催化剂进行不对称氧化。因此，实现了羧酰胺的高度对映选择性碳氢和氮氢（C-H和N-H）环状反应，从而获得了点手性和轴向手性化合物。此外，钴介导的电催化可以通过脱氢C-H活化反应选择性不对称来制备各种磷（P）-立体化合物。相关成果以“Enantioselective electrochemical cobalt-catalyzed aryl C–H activation reactions”为题发表在《Science》上。图 1.对映选择性电化学钴催化C-H活化的动机和策略作者首先评估了醋酸钴Co(OAc)2·4H2O作为催化剂和手性磷酸（CPA）用于苯甲酰胺1与烯烃2的C-H活化反应（图2A）。在恒电位反应控制下，目标产物3得以形成。在此过程中，观察到铂电极钝化现象，这表明需要进行阴极过电位控制。因此，作者接下来尝试添加不同的添加剂，发现新戊酸可以显著提高产率而不影响对映选择性（图2A）。在这个条件下，不再观察到铂阴极的钝化现象，通过顶空气相色谱（GC）分析检测分子氢，证实HER作为阴极半反应参与了反应。作者对实验条件进行了微调，最终确定了更加便捷的恒电流条件。之后，作者又尝试了多种手性磷酸（图2，A和B），结果表明使用易于获取的母体BINOL磷酸CPA1可以获得最佳结果，而其他的修饰衍生物CPA2、CPA3和SPINOL CPA4，其取代基位于3，3'位置，可以减少对映体过量（图2A）。接下来，作者测试了该反应的通用性（图2C），发现多种官能团都可以兼容，并且能够获得高对映体过量的所需产物3至23。此外，该反应对于吸电子和供电子官能团以及氧化敏感硫醚都具有较好的耐受性。图 2.通过电化学钴催化的 C-H 活化进行螺环化在基于电氧化钴催化螺环化的结果的基础上，作者进一步使用未活化的烯烃进行研究。在这个过程中，观察到烯烃碳胺化代替螺环化，这代表了互补的反应模式。水杨基恶唑啉配体被证明最适合实现所需的对映选择性转化（图3A和B）。在优化研究中，作者确定了L-缬氨酸衍生配体L3为最佳配体，允许在室温下以高产率合成各种手性二氢异喹啉酮25至32，并实现出色的对映体和非对映异构体纯度（图3C）。即使规模明显增加，反应仍然以89%的非常高的法拉第效率进行，可以有效利用提供的电能（图3D）图 3.通过电氧化钴催化烯烃的对映选择性氨基化反应以获得 C-立体分子为了验证电化学钴催化是否适用于轴向手性产物的对映诱导，作者考虑了苯甲酰胺34和4-羟基炔烃35的C-H和N-H级联环化反应，得到了C-N轴向化合物36（4A）。通过密度泛函理论计算，确定化合物36中C-N轴的可逆性，结果表明其旋转势垒为48.3千卡/摩尔，半衰期为3.2×1018年（图4B）。在电氧化反应条件下，可以高选择性地得到所需产物36的对映异构体（图4C）。通过对反应条件的优化和稳定性的评估（图4C），无论酰胺底物（36至38）或4-羟基炔酸酯（40至43）的取代模式如何，都可以获得非常高的产率和99.5:0.5的高对映体选择性，同时杂环系统也是兼容的，可以得到各种非对映体的化合物。该反应的可扩展性也进行了研究，结果表明反应的效率和对映选择性得到了保持（图4D）。特别值得注意的是，使用不锈钢作为铂金替代阴极材料，凸显了所开发的电化学钴催化技术的资源经济性和制备效率。图 4.通过电氧化钴催化对映选择性C-H和N-H环化以访问轴向手性分子接下来，对映选择性的电化学钴催化应用被扩展到略有改变的反应条件下的膦酸酰胺不对称化（图5）。证明了电催化是通用的，并且能够实现多种对映选择性转化。双叉配体L1诱导了对映选择性的脱氢C-H醚化反应，并以高对映选择性获得了各种无环手性膦酸酰胺45至48（图5A）。除了C-O键形成反应，还通过C-H和N-H活化实现了烷基环化去对称化。终端炔烃苯乙炔也可用于反应，并以高对映和区域选择性分离出产物49，除了内部炔烃（图5B，50至52）。此外，级联炔烃C-H和N-H活化与4-羟基炔烃形成的C-C、C-N和C-O键形成反应，产生了各种融合的多环P-稳态化合物53至60，具有较高的对映体纯度（图5C），同时以有效的方式组装了具有不同环大小的螺环支架（58至60）。这些反应不仅具有高度的立体选择性，而且具有突出的区域选择性，提供了单一异构体。通过X射线衍射分析，绝对构型和连接性得到了明确的确定（图5D）。图 5.通过电氧化钴催化获得 P-立体分子的对映选择性 C-H 和 N-H 环化本文展示了电氧化钴催化的多功能性，包括螺内酰胺、二氢异喹啉酮和非对映异构体呋喃唑酮的对映合成，以及膦酸酰胺的不对称化，其中包括脱氢C-H醚化和C-H和N-H环化反应。这些策略使用可直接从BINOL或氨基醇中获得的手性配体，并提供了高达99.5:0.5的对映体比率。对映选择性电化学钴催化通过HER产生分子氢作为唯一的副产品，有可能作为一种广泛的合成有用的电-氧化转化。--纤维素推荐--
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