双电催化可使共轭烯烃的对映选择性氢氰化

一、文献信息

文献题目：Dual electrocatalysis enables enantioselective hydrocyanation of conjugated alkenes

通讯作者：林松

DOI: 10.1038/s41557-020-0469-5

期刊：Nature Chemistry ( IF 24.274 )

发表日期：2020-06-29

二、文章简介

本文介绍了电化学无缝结合的两种典型的自由基反应——钴介导的氢原子转移和铜促进的自由基氰化反应，在不需要化学计量氧化剂的情况下完成了高度对映选择性的氢氰化反应，同时能够利用电化学精确控制电位的独特优势来优化基质的化学选择性。计算并分析揭示了对映体诱导的起源，介绍了手性催化剂通过吸引和排斥的非共价相互作用来指导对映体的C-CN键的形成。这项工作具有影响力的说明了电化学在进入新的化学空间和在合成化学所面临的相关挑战以及实现两者的突出贡献。

三、反应设计思路

（1）反应过程：首先进行的氢氰化需要同时生成两个开壳物种，即是H•和CN•的等量物。实验首先设想在阳极耦合电催化系统中结合两个金属介导的基本自由基反应。在提出的催化循环中，由CoIII前驱体和氢硅烷生成的[CoIII]-H(正式形式)通过氢原子转移(HAT)与烯烃底物反应生成碳中心自由基。然后该中间体进入氰化循环，经过单电子氧化加成到[CuII]-CN形成第II种，正式的CuIII中间体，随后经过还原消除完成氢氰化反应。

（2）反应路线的思路来源：金属氢化物氢原子转移(MHAT)是近年来建立的烯烃加氢功能化的通用方法。但MHAT在不对称催化方面的应用非常少，受到了对映选择性铜催化自由基氰化的最新进展的启发。之前的研究报道了一系列由化学氧化剂促进苯乙烯的对映选择性氰化的精细方法。利用这种反应性，最近通过用阳极取代化学氧化剂，证实了铜介导的不对称电催化在烯烃氰基膦酰化反应中的可行性。然而，这种氰基膦酰化反应的范围仅限于末端苯乙烯。更重要的是，单靠Cu催化无法发展高对映选择性氢氰化反应，而氢氰化反应是一种合成上更有价值的转化。故在这项工作中提出了用Co HAT和Cu氰化协同结合的双催化策略，从而为这一合成过程提供了独特的解决方案。

（3）反应的突破性：理想的氢氰化反应是一个全面的氧化转化，它需要两种催化剂通过一对单电子氧化事件的翻转，使合成的CoII和CuI回到它们的活性CoIII和CuII氧化态。成功实现这一反应的关键在于确定能够无缝适应Co HAT和Cu氰化循环的氧化条件。电化学的属性使它能够独特地促进这两种催化过程合并为广泛有用的氢氰化协议。一方面，协同催化的加氢功能化可能会遇到苯乙烯类底物的化学选择性问题，特别是在氧化剂存在的情况下。这可能是由于形成了一种易被过度氧化为苄阳离子的苄基自由基。另一方面，Cu催化的氰化需要一种强效的化学氧化剂，这也会将反应范围限制在缺乏氧化不稳定官能团的底物上。相比之下，电化学策略允许最低限度的足够电势，从而避免了对化学计量氧化剂的需要，并解决了Co/Cu双催化过程潜在相关的不相容的问题。

四、反应的发现与发展

（1）电化学性能的研究：研究发现，铜配合物与常见手性配体的电化学相容性和行为在很大程度上尚不清楚。此外Cu离子对阴极上的电镀非常敏感。在一个未分裂的电化学电池中，铜配合物很容易在阴极被还原并失去催化活性。通过系统的优化尝试发现，Co配合物和Cu(OTf)2与双恶唑啉型配体在PhSiH3和三甲基硅酰氰化物(TMSCN)的存在下，促进4-叔丁基苯乙烯(1)向所需产物(2)的转化，收率高，对映选择性适中。循环伏安法研究表明，BOX配体和CN-在保持Cu催化剂在溶液中的作用很重要，可能是通过形成[Cu(BOX)(CN)n]型配合物来避免电解过程中有害的阴极沉积。此外选择Pt作为阴极，HOAc作为终端氧化剂，对于确保在相对较低的过电位下轻松地进行质子还原是非常重要的选择，这比不需要的铜还原更有竞争力。为了进一步优化对映选择性，研究了一系列手性双牙质N,N-和P,P-配体，包括几个已知的对映选择性Lewis酸催化剂的优秀Cu配体或自由基催化剂。最终实验发现丝氨酸衍生的双恶唑啉是理想氢氰化反应的优良配体。如图b所示，配体4的使用大大提高了反应的对映体选择性至91%，收率也提高到79%。并且利用计算方法证明了这种高反应对映选择性来自于sBOX配体中的第二球酯基引起的吸引和排斥的非共价之间的复杂相互作用。电解质的特性可以在很大程度上影响电双层的极性。因此假设TBABF4在阳极上产生的极性EDL比LiClO4少得多，这是改善对映体选择性的主要原因。当Co加载量从0.5 mol%增加到2 mol%时导致产率急剧下降，并出现大量氢化副产物。这一结果强调了平衡HAT和氰化事件的速率以确保最佳的产物选择性的重要性。最后，反应需要Cu和Co同时进行，因为排除其中任何一种催化剂都会导致最低程度的氢氰化产物转化。

五、反应范围及应用

在最佳条件下，各种乙烯芳烃经过氢氰化反应，得到所需的芳基丙腈，具有优异的对映选择性。研究发现，转化效率与芳基取代基的电子性质相对独立。重要的是，电化学和自由基机制的结合所带来的非常温和的反应条件使具有不同官能团的丰富的对映体腈的范围更广。特别是，在化学条件下容易氧化降解的官能团，如富电子芳烃、硫化物和醛，可以很容易地参与氢氰化。

六、反应化学选择性的电化学控制

电化学的一个关键优势是能够实现对电极电位输入的外部控制。这一特性使我们能够调节富电子的乙烯芳烃的氢氰化化学选择性。从图a可以看到，烯烃的完全转化，但所需的丁腈的生成最少。相反形成了几个副产物，包括苄基自由基中间体过度氧化成相应的阳离子，然后亲核捕集而产生的产物。通过将输入电压从2.3 V降低到1.8 V ，成功抑制了过氧化，并以71%的收率获得了氢氰化产物。

从图b中可以看出，在低收率的情况下对映体选择性也大大降低。这可能是由关键的苯基中间体过度氧化引起的外消旋碳正离子途径的结果。电化学凭借其以最低限度的足够电位输入实现电子转移的能力，提供了一种理想的方法来规避化学氧化的问题，并利用多个氧化还原来催化循环生产。

七、总结

本文介绍的电催化氢氰化突出了利用电化学的方法探索新的化学空间和合成有机物方面的独特优势。这种新的转变将增加对映体丰富的腈类化合物的多样性。并且本实验进一步说明了利用电催化的方法与有机化合物合成相融合的交叉学科将逐渐应用于现代有机化学领域。

转自：“科研一席话”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！