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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。

鉴于此，近日，德国哥廷根大学Lutz Ackermann教授课题组在《Science》上发表了题为“Enantioselective electrochemical cobalt-catalyzed aryl C–H activation reactions”的研究论文。

概述

研究主要报道利用钴代替贵金属催化剂，不对称氧化的HER-偶联对映选择性芳基碳氢键（C–H）活化反应策略。因此，实现了羧酸酰胺的高对映选择性的碳-氢和氮-氢（C–H和N–H）环化，从而获得了点手性和轴手性化合物。此外，钴介导的电催化，通过脱氢C–H活化反应选择性去对称制备了各种磷（P）-立体化合物。

图文导读

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)。然而，尽管对于选择性控制的努力已经取得了一定的成功，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。该研究设计了具有高化学、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)。

图1 对映体选择性钴催化电化学C–H活化的动机和策略

首先作者评估了醋酸钴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。尽管产率适中，为19%，但其对映体比为88.0：12.0。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。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)。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)。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)。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。

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。

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

小结

研究展示了电氧化钴催化的多功能性，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。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。

参考文献

TRISTAN VON MUNCHOW ,SUMAN DANA, YANG XU,BINBIN YUAN, AND LUTZ ACKERMANN AuthorS Info & AffIiationS

doi/10.1126/science.adg2866

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