本文來自X-MOLNews‍‍‍‍

有機電化學合成直接利用清潔的電子為“試劑”，避免了當量的化學氧化/還原劑的使用，是符合綠色化學和可持續發展的重要方向。近年來，該領域迎來了一輪新的研究熱潮，然而利用電能實現不對稱催化的例子卻比較少見。造成這一現象的原因，除了控制電化學生成的活潑中間體的立體化學極具挑戰性，就是很多手性催化劑不能很好地兼容電解條件。近期報道的催化不對稱電化學反應，往往采用分離電化學過程和不對稱催化的策略。例如，以手性胺催化劑和酮縮合生成的烯胺中間體來捕獲陽極氧化獲得的親電試劑，從而實現了酮的不對稱電化學氧化。在這類反應中，手性催化劑并沒有參與電化學得失電子的過程，理論上電化學過程是可以被其他氧化/還原手段所替代。而且為了保證手性催化劑的耐受性，使用的是易得失電子的底物，一定程度上限制了該策略的應用價值。

最近，德國馬爾堡大學Eric Meggers教授課題組發展了一種新穎的策略，利用金屬中心手性的八面體铑催化劑，在參與促進電化學氧化過程的同時，實現自由基中間體化學的手性控制。在電能的驅動下，他們實現了2-酰基咪唑和烯醇矽醚的選擇性氧化交叉偶聯，合成了多種光學純的1,4-二羰基化合物，其中包括了多種含全碳季碳手性中心的産物（圖1）。這一少有的高效、高立體選擇性的不對稱電化學催化近日發表在Nature Catalysis 上。

圖1. 電能驅動的不對稱Lewis酸催化。圖片來源：Nat. Catal.

Meggers課題組近年來在八面體金屬中心手性催化劑的合成和應用上做出了開創性貢獻。Meggers此前利用該催化劑發展了一系列新穎的不對稱光反應，本文報道了此類催化劑在不對稱電化學合成中的首例應用。作者設想，八面體Lewis酸催化劑能夠通過底物的HOMO活化，從而促進陽極的單電子氧化過程。而且生成的活潑自由基中間體一直絡合在手性催化劑上，确保了後續自由基化學的立體誘導（圖2）。因此，溫和的反應條件、更少的副反應以及更好的手性控制是能夠預見的。

圖2. 反應設計。圖片來源：Nat. Catal.

本文的研究得益于IKA公司聯合Baran教授等人研發的ElectraSyn 2.0電解平台。如圖3所示，在ElectraSyn 2.0的無隔膜電解池中，在八面體手性銥絡合物Δ-Ir1催化下，1a和2a的反應能夠以27%的收率和98%的ee值生成目标化合物3a（entry 1）。大位阻、配體交換更快的Δ-Rh2催化劑能将收率提高至82%（entry 3）。通過對不同電極材料、電解質和電流大小的篩選，最後得到的反應的最佳條件（entry 6）：在無隔膜電解池中，以石墨為陽極材料、鍍鉑電極為陰極、甲醇/四氫呋喃（2:1）為溶劑，四丁基六氟磷酸铵為電解質，在恒定0.6 mA的電流下電解2.4 F/mol左右的電量。在該條件下，标準産物的3a的分離收率達到79%，對映異構體選擇性達到97% ee。

圖3. 條件優化。圖片來源：Nat. Catal.

控制實驗确認了铑催化劑的重要性——沒有催化劑的情況下，全部生成烯醇矽醚自偶聯的副産物（entry 11）。作者還對比了其他氧化體系。可見光激發、以氧氣為氧化劑的條件下，隻能以11%的收率和86%的ee值生成目标化合物（entry 13）。該光促體系轉化率低，同時生産難以避免的1a被氧化成1,2-雙酮的副産物。此外，以SOMO催化中常用的CAN為化學氧化劑，反應效果非常不好。大部分原料分解，隻觀測到8%的目标化合物生産，ee值為81%（entry 14）。這些對比清楚地顯示出電化學合成在該轉化中的優越性。

接着作者對底物範圍進行了考察（圖4-5）。該反應兼容多種不同類型的咪唑和烯醇矽醚。作者總共展示了38個例子，最高收率91%，其中産物3j的ee值超過99%。使用兩步一鍋法，可以從苯乙酮直接出發，和咪唑底物發生電化學偶聯反應。本文的一大亮點在于，該催化不對稱電化學體系，能以很好的收率和ee值構建一系列含全碳季碳中心的羰基化合物（6）

圖4. 電化學催化合成光學純1,4-二羰基化合物（叔碳中心）。圖片來源：Nat. Catal.

圖5. 電化學催化合成光學純1,4-二羰基化合物（季碳中心）。a：Δ-Rh1為催化劑。圖片來源：Nat. Catal.

為了更好地理解反應機理，作者首先合成了關鍵的八面體铑烯醇中間體（圖6）。循環伏安分析表明，铑烯醇化合物是體系中最容易被氧化的物種。其單電子氧化生成的自由基中間體的存在，通過TEMPO或烯烴捕獲實驗得到了證明。圖7展示的催化循環中，底物首先配位和去質子化，生成富電子的铑配位烯醇中間體（II）。陽極單電子氧化生成的铑配位的自由基中間體（III）,被富電子烯醇矽醚捕獲。進一步的氧化、脫矽、産物解離，生成最終的産物，并完成催化循環。

圖6. 機理研究。a：關健铑烯醇中間體的鑒定和循環伏安分析。圖片來源：Nat. Catal.

圖7. 催化循環。圖片來源：Nat. Catal.

——小結——

Meggers教授課題組報道了一例新穎高效的不對稱電化學催化方法，用以合成多種光學純1,4-二羰基化合物。他們發展的八面體手性催化劑，再一次展現出卓越的催化效果，不僅能很好地兼容電化學反應條件，還能通過铑烯醇的生成活化底物、促進陽極氧化的過程。簡單溫和、環境友好的條件，極佳的反應效果以及寬廣的底物适用範圍，使得該反應具有很好的潛在應用價值。該工作有望促進更多活化策略應用于催化不對稱電化學合成。

原文：

Electricity Driven Asymmetric Lewis Acid Catalysis

Xiaoqiang Huang, Qi Zhang, Jiahui Lin, Klaus Harms, and Eric Meggers*

Nat. Catal., 2018, DOI: 10.1038/s41929-018-0198-y

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