▲共同第一作者：王恒，揭小峰; 

共同通讯作者：崇庆雷副研究员，郭寅龙研究员，张之涵研究员和孟繁柯研究员

论文DOI: 10.1021/jacs.4c06925（点击文末「阅读原文」，直达链接）

本文报道了钴催化的1,3-二烯区域和立体选择性的转移氢化半还原反应，反应以H₂O 作为氢源，高立体选择性地构建了一系列的(Z)-1,2-二取代、(Z)-、(E)-三取代和四取代烯烃。机理研究表明，反应通过独特的Co(I)/Co(III)循环进行，并且涉及目前未有报道的1,4-钴迁移过程。反应为多取代烯烃的模块化合成提供了新平台，也为设计新的反应模式、推动有机钴化学的发展提供了机会。

多取代烯烃是广泛存在于天然产物和药物分子中的常见结构，也是材料科学中的关键片段。然而目前的文献报道中缺乏一种通用的、模块化的方法，能够通过一组催化剂和底物实现(Z)-1,2-二取代、(Z)-、(E)-三取代和四取代烯烃的构建。1,3-二烯是一类易于获取，并且可以模块化合成不饱和烯烃。1,3-二烯的催化 1,4-官能化是生成官能化烯烃的重要策略。然而在已有的文献报道中，反应的化学、区域以及立体选择性目前还存在一定的局限性。钴是一种廉价的低毒过渡金属，具有独特的反应活性，发展新型的钴催化反应具有重要的研究价值。在已有的文献报道中，钴催化的烯烃还原反应中，反应通常以H₂作为氢源，钴以Co(0)/Co(II)催化循环或者Co(II)价态保持不变参与反应。以H₂O作为氢源，钴以Co(I)/Co(III)催化循环参与的1,3-二烯的半还原反应目前还未见报道。

基于以上研究现状及面临的问题，钴作为第一过渡金属中的代表性元素，具有丰富的氧化态和配位数，因此常常具有更多样化的反应模式。中国科学院上海有机所孟繁柯课题组一直致力于发展新型钴催化反应研究。作者设想能否能通过对反应中配体的调整来实现钴催化1,3-二烯的半还原反应过程中，化学、区域以及立体选择性的控制，从而实现利用H₂O为唯一氢源，钴催化的1,3-二烯的转移氢化半还原反应模块化地制备(Z)-1,2-二取代、(Z)-、(E)-三取代和四取代烯烃。

在建立好反应条件的基础上，以钴和双齿膦配体原位形成的络合物作为催化剂的条件下，反应可以顺利实现一级、二级、三级烷基以及芳基取代α,β,γ,δ-不饱和酯的转移氢化半还原反应（图1），反应具有优异的化学、区域以及立体选择性。值得一提的是，α-手性氨基酸以及α-手性酮底物在反应中手性中心保持，并且反应能顺利兼容烯丙醇衍生物以及β-内酰胺。

图1  (Z)-1,2-二取代烯烃的制备

图2  三取代以及四取代烯烃的制备

最近，我们发现通过钴催化的1,3-烯炔和丙烯酸酯的路径发散性的对映选择性串联反应可以顺利实现官能团化的α,β,γ,δ-不饱和酯的制备。通过对反应条件的微调，我们顺利将α,β,γ,δ-不饱和酯的1,6-还原引入到串联反应中，实现了一系列三取代烯烃的构建（图3）。

图3  串联反应制备三取代烯烃

利用钴催化的α,β,γ,δ-不饱和酯的转移氢化半还原反应为关键步骤，我们成功实现了昆虫信息素的半合成（图4）。

图4 昆虫信息素的半合成

为了探究反应的机理，我们进行了一系列机理实验并结合DFT计算证实，反应过程中钴以Co(I)/Co(III)催化循环模式参与反应并且催化循环过程中存在1,4-钴迁移。基于以上结果，我们推测出反应可能的机理（图 5）：首先反应中原位生成的Co(I)络合物与H₂O发生氧化加成得到Co(III)-H物种（II），Co(III)-H物种与1,3-二烯以s-cis构型发生配位然后发生Co(III)-H加成，由于区域选择性不同，分别得到烯丙基钴物种（V）和（VI）。烯丙基钴物种（V）和（VI）直接质子化得到目标产物。另外，烯丙基钴物种（V）发生1,4-钴迁移得到烯丙基钴物种（VI）然后再质子解最终也可以生成目标产物VII。

图5  反应可能的机理

我们首次报道了以 H₂O 为氢源的钴催化的1,3-二烯转移氢化半还原反应，反应模块化地并且立体选择性地制备了一系列 (Z)-1,2-二取代、(Z)- 和 (E)-三取代和四取代烯烃产物。

通过机理实验以及DFT计算证明，反应中钴是以Co(I)/Co(III)催化循环模式参与反应并且反应通过烯丙基自由基中间体实现了烷基-烷基1,4-钴迁移。

孟繁柯

https://www.x-mol.com/university/faculty/46702