综述：钴催化氧化性C-H键活化的近期进展

本综述系统探讨钴催化C-H活化领域2020–2024年的突破性进展，重点分析其（C-H Activation）机制创新与底物多样性拓展，涵盖交叉脱氢偶联（CDC）及导向基团策略，为绿色合成（Green Chemistry）和药物分子构建提供高效、可持续的新范式。

　　

Abstract

C-H键活化在有机化学中的重要性源于其变革性潜力及跨领域影响。钴催化C-H活化技术源于20世纪中期的过渡金属催化研究，但钴作为氧化性C-H活化催化剂的应用近年才受到广泛关注。新进展拓宽了钴催化C-H活化的适用范围，涵盖多种底物与转化类型，通过提供高效、通用且可持续的复杂分子合成方法，在现代有机化学中发挥关键作用。

近期钴催化体系创新

钴催化剂因其低成本、低毒性和独特反应性成为贵金属催化剂的替代方案。研究聚焦于钴(III)/钴(IV)氧化还原循环机制，通过电化学或化学氧化剂（如银盐、过硫酸盐）实现催化循环。例如，钴与N-羟基邻苯二甲酰亚胺（NHPI）协同体系可实现烷烃C(sp³)-H键的选择性氧化，产率高达90%。导向基团（如8-氨基喹啉、吡啶酮）的引入进一步提高了C-H键官能化的区域选择性，实现芳烃C(sp²)-H键的烯基化、烷基化和芳基化。

底物适用范围拓展

2020–2024年间，钴催化C-H活化技术已应用于复杂生物活性分子的后期修饰。甾体、氨基酸衍生物及天然产物（如青蒿素）的C-H键官能化案例显著增加。通过钴/手性配体（如Cp*Co(III)/手性羧酸）不对称催化体系，可实现手性吲哚酮类化合物的合成，对映选择性超过95%。此外，无导向基策略的开发（如自由基介导的C-H溴化反应）拓宽了惰性C-H键的转化路径。

反应机制与绿色化学

理论计算与实验研究揭示了钴催化中的单电子转移（SET）和分子内亲电取代机制的关键作用。氧化剂（如Cu(OAc)₂、Ag₂CO₃）的选择直接影响反应效率和选择性。绿色化学方向的发展包括电化学钴催化（避免化学氧化剂使用）和光促钴催化体系（可见光驱动C-H键活化），反应能耗降低40%，原子经济性显著提升。

应用与挑战

钴催化C-H活化在药物合成（如抗肿瘤分子C-H胺化）、材料科学（共轭聚合物制备）中展示广泛应用，但仍面临催化剂负载量（通常需5–10 mol%）、官能团兼容性（对强电子 withdrawing基团敏感性）等挑战。未来研究方向包括开发低钴用量体系、生物相容性反应条件及与人工智能预测结合的反应设计。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。