通过钴催化实现选择性炔烃半还原的一电子方法

《Journal of the American Chemical Society》：One-Electron Approach for Trans-Selective Alkyne Semi-Reduction via Cobalt Catalysis

选择性半还原炔烃至烯烃是合成化学的重要课题，本文报道了一种基于钴催化的电化学自由基新策略，实现未活化内炔的高效trans选择性半还原，并拓展至同位素标记和二炔选择性还原。机理研究表明该体系通过双催化循环：电化学生成Co-H物种，经炔烃插入形成钴(III)-烯基中间体，后续氢原子转移完成选择性还原。实验验证了该方法的广泛底物适用性和化学惰性，并开发出互补的氧化性化学方法。研究成果为第一代过渡金属催化提供新范式。

　　在有机合成领域，烯烃作为重要的官能团，广泛应用于药物、农业化学品以及有机合成中间体的构建中。烯烃的立体构型，即顺式（Z）或反式（E），对最终产物的性质和应用具有决定性影响。因此，开发能够实现高选择性还原的策略成为合成化学中的重要课题。特别是对于炔烃的还原，通常需要在特定条件下进行，以确保生成所需的立体构型。在这一背景下，研究人员提出了多种方法，其中电化学还原因其独特的机制和高效性而备受关注。然而，传统的电化学还原方法在生成反式烯烃方面存在一定的局限性，特别是在处理未活化的内部炔烃时，其选择性和反应条件仍需进一步优化。

本文介绍了一种全新的基于钴催化的方法，用于实现内部炔烃的高选择性反式半还原反应。该方法利用了一种电化学自由基途径，不仅拓宽了反应的底物适用范围，还显著提高了反应的选择性和功能基容忍度。该策略适用于各种电子和空间特性不同的炔烃，并且在多炔基化合物中表现出良好的化学选择性。通过引入电化学钴-氢（Co–H）自由基反应，研究人员成功地在温和条件下实现了反式烯烃的高效合成。这种方法不仅在催化效率上具有优势，还提供了更为简便的操作条件，使得实验可以在普通实验室环境下进行，无需复杂的惰性气氛保护设备。

在实验过程中，研究人员对反应条件进行了系统优化，包括催化剂的选择、溶剂的种类、质子源的使用以及电解条件的调整。通过对不同钴催化剂的测试，发现某些带有特定配体的钴配合物在反应中表现出更高的活性和选择性。例如，使用Co-4催化剂时，反应的反式选择性达到了84:16，且产率较高。此外，实验还发现，使用酒精类溶剂（如异丙醇）能够显著提高反应的效率和选择性，而使用水作为添加剂则有助于进一步优化反应条件。这些优化结果不仅表明了钴催化在电化学还原中的潜力，也为后续的反应扩展提供了基础。

为了验证该方法的广泛适用性，研究人员对多种底物进行了测试，包括电子富集的炔烃、未活化的内部炔烃以及含有不同功能基的化合物。在这些实验中，发现该方法能够高效地还原多种类型的炔烃，同时保持高选择性。例如，含有酯基、环氧基、腈基等敏感功能基的底物在该反应中表现出良好的稳定性，未发生不必要的副反应。此外，该方法还适用于含有多个炔基的复杂分子，通过选择性还原其中一个炔基，从而实现更精细的结构调控。这种能力为后续的分子修饰和功能化提供了新的可能性。

在机理研究方面，研究人员结合了循环伏安法、紫外-可见光谱电化学分析以及密度泛函理论（DFT）计算，揭示了该反应的双催化循环机制。首先，电化学过程生成了活性的钴-氢物种，随后通过一个有机金属自由基途径完成反应。这些机理研究不仅支持了反应的可行性，还为后续的化学氧化还原方法提供了理论依据。通过引入氧化反应条件，研究人员开发了一种互补的氧化驱动策略，使得一些在电化学条件下不反应的底物也能被有效还原。这种方法在温和条件下表现出良好的选择性，为合成化学提供了新的工具。

此外，该方法还能够实现反式氘化反应，即在不改变分子结构的前提下，将炔烃中的氢原子替换为氘原子。这种能力不仅为药物化学和同位素追踪研究提供了新的途径，还进一步验证了该方法的多功能性。通过使用氘标记的质子源和溶剂，研究人员成功地实现了反式氘化反应，且氘原子的引入效率较高。这些实验结果表明，该方法不仅适用于氢的还原，还能够扩展到同位素标记的合成中，为后续的结构分析和功能研究提供了新的手段。

在实验过程中，研究人员还发现，某些底物在特定条件下会发生副反应，如烷烃的过度还原或异构化。因此，通过调整反应条件和催化剂的选择，可以有效避免这些副反应的发生。例如，使用特定的溶剂和添加剂，可以提高反应的选择性，减少副产物的生成。此外，通过改变催化剂的配体环境，可以进一步优化反应的效率和选择性，使得反应能够在更广泛的条件下进行。

总的来说，本文提出了一种全新的基于钴催化的方法，用于实现内部炔烃的高选择性反式半还原反应。该方法不仅在反应条件上具有优势，还能够适用于多种类型的底物和功能基，展现出良好的化学选择性和功能基容忍度。通过结合电化学和化学氧化还原策略，研究人员成功地扩展了该方法的应用范围，使其能够处理一些在传统条件下难以还原的底物。这些研究成果为合成化学提供了新的思路和工具，有望在未来的可持续氢化催化研究中发挥重要作用。