综述：地球丰产钴催化的对映选择性C-H官能团化

《Science China-Chemistry》：Earth-abundant cobalt-catalyzed enantioselective C-H functionalizations

本综述系统梳理了地球丰产金属钴催化的对映选择性C-H官能团化研究进展，重点阐释了钴(I)/钴(III)三种催化体系（低价钴、环戊二烯基钴、原位生成钴）的机理特色与立体控制起源，为手性分子绿色合成提供了新范式。

　　

钴催化对映选择性C-H官能团化的研究进展

对映选择性C-H官能团化已成为构建复杂手性分子的高效变革性工具，具有卓越的步骤经济性和原子经济性。尽管该领域历史上由4d和5d过渡金属催化剂主导，但近年来研究焦点已转向钴——一种地球储量丰富、成本低廉且具有特殊反应活性的3d过渡金属。通过三种主要催化体系的发展，钴催化对映选择性C-H官能团化取得了显著突破。

低价钴(I)催化体系

低价钴(I)催化剂在C-H键活化中展现出独特的反应性，其通过单电子转移过程实现C-H键的均裂活化。该类催化剂通常与手性配体协同作用，通过配体调控的立体环境实现优异的对映选择性控制。研究表明，钴(I)物种在[4+2]环加成、C-H胺化等反应中表现突出，其反应机理涉及关键的钴环中间体形成过程。

环戊二烯基钴(III)催化体系

环戊二烯基钴(III)(Cp^*Co^III)催化剂借鉴了铑催化中的相关设计理念，通过手性羧酸配体实现立体控制。该类催化剂在C-H炔基化、烯基化等反应中展现出广谱的官能团兼容性，其反应机理通常经历C-H金属化、不饱和键插入和还原消除等经典步骤。值得注意的是，环戊二烯基配体的电子效应和立体效应对对映选择性具有决定性影响。

原位生成钴(III)催化体系

由钴(II)前体与氧化剂原位生成的钴(III)催化剂，为C-H官能团化提供了更为经济的催化平台。该类体系通过氧化诱导的催化剂活化，实现了包括C-H磷酰化、胺化在内的多种转化。机理研究表明，手性羧酸配体在控制对映选择性的同时，还参与调控催化剂的氧化还原行为。

立体控制机理分析

三种催化体系的立体控制起源存在显著差异：低价钴(I)体系主要通过手性配体控制的自由基重组过程实现立体控制；Cp^*Co^III体系依赖于手性羧酸配体与底物间的立体电子效应；而原位生成的钴(III)体系则通过配体调控的过渡态几何构型实现手性诱导。理论计算表明，C-H键裂解步骤的能垒和过渡态构型是决定对映选择性的关键因素。

未来展望

尽管钴催化对映选择性C-H官能团化已取得重要进展，但在催化剂设计、底物普适性和机理研究方面仍存在挑战。未来研究将聚焦于新型手性配体开发、光促钴催化体系构建以及生物活性分子合成应用等领域，推动这一绿色合成策略的进一步发展。