清華新聞網(wǎng)1月7日電 近日，清華大學(xué)化學(xué)系劉強(qiáng)教授課題組在有機(jī)電合成與催化還原化學(xué)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的鈷催化炔烴與環(huán)丁烯還原偶聯(lián)新方法，實(shí)現(xiàn)了從相同起始原料出發(fā)，高效、高選擇性地合成二取代環(huán)丁烷的非對(duì)映異構(gòu)體，解決了環(huán)丁烷類(lèi)化合物非對(duì)映選擇性發(fā)散合成中長(zhǎng)期存在的選擇性控制難題。
環(huán)丁烷立體選擇性發(fā)散式的挑戰(zhàn)與電化學(xué)驅(qū)動(dòng)鈷催化策略設(shè)計(jì)
環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)廣泛存在于多種天然產(chǎn)物與藥物分子中，其相對(duì)構(gòu)型（順式cis或反式trans）對(duì)生物活性具有重要影響（圖a）。然而，傳統(tǒng)合成方法往往只能選擇性地制備某一種立體異構(gòu)體，難以實(shí)現(xiàn)從同一底物出發(fā)高效、可控地合成所有可能的異構(gòu)體，開(kāi)發(fā)通用性強(qiáng)的立體發(fā)散式合成策略仍極具挑戰(zhàn)（圖b）。
劉強(qiáng)教授課題組長(zhǎng)期致力于豐產(chǎn)金屬氫配位化學(xué)與催化研究。在該工作中，課題組創(chuàng)新性地利用電化學(xué)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)催化劑前體的陰極還原與質(zhì)子化過(guò)程原位生成鈷氫中間體，實(shí)現(xiàn)了炔烴與環(huán)丁烯的高效還原偶聯(lián)。研究的關(guān)鍵突破在于發(fā)現(xiàn)質(zhì)子源的立體與電子性質(zhì)可有效調(diào)控反應(yīng)的非對(duì)映選擇性：使用六氟異丙醇可獲得優(yōu)異的反式（trans）選擇性，而采用空間位阻較大的DABCO·(HBF4)2則可實(shí)現(xiàn)順式（cis）選擇性合成（圖d）。深入的機(jī)理研究表明，反應(yīng)遵循Co(II)-H逐步插入機(jī)理，其中炔烴插入Co-H鍵是反應(yīng)的決速步。理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了質(zhì)子源與鈷中間體之間的氫鍵作用及位阻效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)非對(duì)映選擇性調(diào)控的關(guān)鍵因素。
這一研究不僅為環(huán)丁烷的立體發(fā)散式合成提供了通用策略，也展示了有機(jī)電合成與鈷催化還原體系相融合在解決合成難題中的強(qiáng)大潛力，為相關(guān)功能分子的精準(zhǔn)高效合成提供了新思路。
研究成果以“電化學(xué)鈷催化還原偶聯(lián)制備二取代環(huán)丁烷的非對(duì)映異構(gòu)結(jié)構(gòu)”（Diastereodivergent construction of disubstituted cyclobutanes via electrochemical cobalt-catalysed reductive coupling）為題，于1月5日發(fā)表于《自然·合成》（Nature Synthesis）。
清華大學(xué)化學(xué)系教授劉強(qiáng)為論文通訊作者，化學(xué)系2021級(jí)博士楊潔為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44160-025-00947-9
供稿：化學(xué)系
編輯：李華山
審核：郭玲
