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导读

近日，以色列理工学院Graham de Ruiter团队开发了一种钴催化剂[(PC_NHCP)Co(N₂)][BAr₄^F]（1），其可在温和的条件（25°C；1 bar H₂）下能够催化炔烃的半氢化反应（semihydrogenation），具有高度的立体选择性（>99:1）。同时，该策略无需使用任何的添加剂，具有反应速度快（<60 min），并且与包括醛、酮、烷氧羰基和醇在内的多种官能团相容。其次，该策略还可用于天然产物的后期衍生化，进一步证明了反应的实用性。机理研究表明，一种瞬态Co(III)-二氢配合物的存在，主导了内炔烃和端炔烃的氢化过程。相关研究成果发表在ACS Catal.上（DOI: 10.1021/acscatal.5c00792）。

成果

碳-碳（C=C）双键广泛存在于各类天然产物、聚合物与生物活性分子等中。目前，已开发多种构建碳-碳双键的方法，如烯化反应、Aldol缩合反应、Knoevenagel缩合反应、E₂-消除反应、烯烃复分解反应、交叉偶联反应等。然而，对于上述反应中的立体选择性（E vs Z）控制通常具有难度，并且主要依赖于底物的构型。因此，开发能够立体选择性地合成Z-或E-烯烃的方法具有重要的意义。同时，对于热力学稳定性较差的Z-烯烃单元，广泛存在于多种天然产物中（Figure 1A）。从实用角度看，炔烃的半氢化是制备Z-烯烃的一种高度原子经济性的方法。然而，此类策略常使用一些贵金属催化剂，如钯、铑、钌、铱等。近年来，化学家们还开发了多种廉价金属催化炔烃的Z-选择性半氢化反应，但仍存在反应条件苛刻、立体选择性低、反应时间过长、氢气压力过高等问题（Figure 1B）。近日，以色列理工学院Graham de Ruiter团队开发了一种温和的策略，即使用钴(I)PC_NHCP钳形催化剂[(PC_NHCP)Co(N₂)][BAr₄^F]（1），实现了炔烃的Z-选择性半氢化反应（Figure 1C）。值得注意的是，该策略在环境温度（25°C）和1 bar H₂下进行反应，通常仅在1 h内即可完成。

（Figure 1，图片来源：ACS Catal.）

首先，作者以1-苯基-1-丙炔作为模型底物，对反应条件进行了大量的筛选（Table 1）。筛选结果表明，当以[(PC_NHCP)Co(N₂)][BAr₄^F]（1）作为催化剂，THF-d₈作为溶剂，在氢气氛围（1 bar）中于室温下反应0.4 h，可以99%的收率得到β-甲基苯乙烯产物A，Z-选择性>99%。

（Table 1，图片来源：ACS Catal.）

在获得上述最佳反应条件后，作者对对称炔烃的底物范围进行了扩展（Table 2）。研究结果表明，当炔烃的末端含有相同取代的丁基、不同电性取代的芳基、吡啶基以及苯乙烯基时，均可顺利进行反应，获得相应的产物2a–2i，收率为67–99%，Z/E > 99:1或ZZ/EE > 99:1。同时，二炔烃也是合适的底物，可以99%的收率得到产物2j，ZZ/EE > 99:1。

（Table 2，图片来源：ACS Catal.）

其次，作者对非对称炔烃的底物范围进行了扩展（Table 3）。研究结果表明，当炔烃的末端含有不同的烷基/烷基、烷基/芳基与芳基/芳基时，均可顺利进行反应，获得相应的产物3a–3s，收率为82-99%，Z/E 为84:16->99:1。值得注意的是，对于3b和3h，观察到明显的过度还原副反应，主要是由于底物中含有烷氧羰基导致。同时，一系列活性的基团，如卤素、羟基、醛基等，均与体系兼容。

（Table 3，图片来源：ACS Catal.）

紧接着，作者对反应的实用性进行了研究（Figure 2）。首先，该策略可用于生物活性分子（如雌酮衍生物与鳞翅目信息素（Lepidoptera pheromone））的后期衍生化，分别获得相应的衍生物4a（收率为96%，Z/E >99:1）和4b（收率为98%，Z/E/O为60:0:40）。同时，克级规模实验，同样可以优异的收率以及选择性获得相应的产物2b和3o。

‍（Figure 2，图片来源：ACS Catal.）

随后，作者对末端炔烃的底物范围进行了扩展（Table 4）。通过对反应条件的优化后发现，无论是否存在供电子或吸电子基团，脂肪族炔烃和苯乙炔衍生物，均可顺利进行反应，获得相应的产物5a–5j，收率为56-99%。其中，即使增加氢气的压力至4 bar，醛类也不会还原为相应的醇，如5i。含有游离氨基的苯乙炔衍生物，也与体系兼容，如5j。

（Table 4，图片来源：ACS Catal.）

此外，作者对反应的机理进行了研究（Figure 3）。首先，配合物1在三甲基膦（PMe₃）与H₂（4 Bar）存在下反应，可生成钴(III)-二氢化物和Co-PMe₃配合物的平衡混合物（Figure 3A）。同时，H₂的氧化加成是可逆的。Co(III) trans-二氢化物的形成以cis-二氢化物的形成为前导，而这两种结构均具有催化活性。因此，Co(III)–二氢配合物是一种可行的中间体。其次，配合物1与1,2-二(4-(三氟甲基)苯基)乙炔的反应结果表明，炔烃的配位可能发生在H₂的氧化加成之前（Figure 3B）。此外，配合物7与H₂的反应，可排他性形成cis-4,4′-双(三氟甲基)二苯乙烯以及配合物1（Figure 3C）。

（Figure 3，图片来源：ACS Catal.）

基于上述的研究以及相关文献的查阅，作者提出了一种合理的反应机理（Scheme 1）。首先，炔烃与Co(I)金属中心的配位从而引发反应，生成金属环丙烯中间体A1。其次，H₂的氧化加成生成Co(III)-二氢中间体A2。随后，炔烃插入Co−H键形成Co(III)乙烯基氢化物配合物A3。最后，配合物A3经还原消除，可释放cis-烯烃产物，同时再生配合物1，从而完成催化循环。

（Scheme 1，图片来源：ACS Catal.）

总结

以色列理工学院Graham de Ruiter团队开发了一种温和的（25 °C，1 bar H₂）炔烃的半氢化反应。同时，该策略具有广泛的底物范围、反应时间短、官能团兼容性出色等特点。机理研究表明，该反应遵循经典的Co(I)/Co(III)氧化还原循环，并以瞬态Co(III)-二氢配合物作为中间体‌。