炔烴的選擇性半氫化是構建碳碳雙鍵最為直接有效的策略之一，而雙鍵的立體化學構型（E/Z）對于化合物的物理性質和生物活性具有決定性影響。在過去幾十年的研究中，順式（Z）選擇性半氫化方法已經相當成熟，典型如Lindlar催化劑、部分貴金屬體系及多種過渡金屬氫化物反應，其反應機理通常經歷“syn-加成”路徑，兩個氫原子同側加成于炔烴碳碳三鍵，從而生成Z-烯烴。然而，反式（E）選擇性的半氫化一直是合成化學中的難題。這是因為反式產物的生成需要兩個氫原子分別從分子的相對兩側加成，而傳統金屬氫化物體系往往受限于協同加成的幾何要求，難以在溫和條件下控制這種空間定向。過去的策略主要依賴于Z-產物的后續異構化或強還原條件下的溶解金屬反應（如Na/NH?），但這些方法往往條件苛刻、底物適用性差，并且對含敏感官能團分子不友好。此外，反式選擇性半氫化在傳統思路中通常需要高壓氫氣或貴金屬體系，這在綠色化學和可持續發展角度上也存在明顯局限。隨著單電子化學與電化學方法的發展，研究者開始思考能否以“單電子過程”取代傳統的雙電子氫化思路，使反應在自由基路徑下實現更靈活的立體控制。電化學能夠在溫和條件下精準提供電子流，并以電流作為還原劑，避免外加化學還原劑或氣體氫源，因此成為重塑反式半氫化反應機理的理想平臺。本文研究正是在這一背景下展開，作者嘗試以鈷為催化中心，借助電化學條件原位生成鈷氫活性物種，通過自由基轉移路徑實現炔烴的跨式半氫化，為反式烯烴的合成提供一種全新的、單電子控制的解決方案。
圖片來源：JACS
本研究構建了一種依托單電子過程的鈷催化體系，在溫和條件下實現炔烴的反式選擇性半氫化反應，并系統闡明其機理與底物適應性。研究團隊設計了一個無隔膜電解體系，以鈷-salen絡合物作為催化劑核心，在錫陰極與鋅犧牲陽極條件下運行，通過電流驅動Co(II)/Co(I)循環，從而在溶液中原位生成Co–H中間體。實驗中選用六氟異丙醇（HFIP）作為質子源，同時引入異丁醇（i-BuOH）作為共溶劑，使Co–H物種得以在體系中穩定形成并參與氫原子轉移（HAT）過程。通過循環伏安（CV）和旋轉圓盤電極（RDE）實驗，研究者驗證了HFIP的加入可顯著增強Co(II)/Co(I)還原電流，證明其參與形成Co–H中間體；結合原位紫外可見光譜電化學實驗，進一步觀察到與烯基-Co(III)中間體相對應的特征吸收峰，從光譜層面印證了反應的逐步過程。隨后利用密度泛函理論（DFT）計算揭示了反應機理：炔烴首先與Co–H發生外球插入生成烯基-Co(III)物種，隨后Co–C鍵均裂生成烯基自由基，再經氫原子轉移終止，獲得E-構型烯烴。該過程的關鍵在于單電子還原驅動的自由基均裂步驟，它為氫原子從兩側加成提供了空間條件，從而天然傾向于反式構型。
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實驗優化表明，以Co-4為最佳催化劑、HFIP與i-BuOH的比例適中時，可在常溫常壓下實現E/Z選擇性高達96:4的結果，并且反應無需惰性氣氛保護。底物范圍測試顯示，該體系對炔胺、烯醚、芳基及脂肪族內炔等多種底物均表現出良好反式選擇性和官能團耐受性，且未觀察到過度氫化現象。值得注意的是，作者還利用氘代質子源（HFIP-d?或i-PrOD-d?）實現了高選擇性的E-氘標記產物生成，為同位素探針分子的制備提供了新方法。此外，對于含兩個炔基的二炔底物，該體系可根據位阻和電子效應選擇性還原其中一個炔鍵，展現出獨特的位點選擇性。最后，為驗證機理的普適性，作者進一步開發了一個與電化學互補的氧化Co–H路徑，以PhSiH?與TBHP為組分實現化學版本的反式半氫化，對在電還原體系中不活潑的底物（如疊氮、炔胺）同樣適用，從而形成電化學與化學氧化條件下可互補的雙路徑體系。
圖片來源：JACS
該研究以鈷催化電化學體系為平臺，首次在無貴金屬、無外加氫源、常溫常壓條件下實現了非活化炔烴的高效反式選擇性半氫化，建立了基于單電子自由基過程的立體選擇性構建新范式。與傳統順式路徑截然不同，這一策略通過電化學控制Co–H的生成與自由基均裂，實現了“電子流”對構型的精細調控，充分體現了綠色化學理念。該方法不僅在底物兼容性和官能團耐受性上顯著優于已有體系，同時展現了獨特的氘代選擇性與位點控制能力，為復雜分子的精細立體編輯與穩定同位素標記提供了可行途徑。更為重要的是，該工作從機理上揭示了自由基過程在立體化學控制中的潛力，證明單電子化學完全可以替代傳統的雙電子路徑，實現對反式構型的直接合成。這一發現不僅豐富了過渡金屬催化加氫化學的內涵，也為后續發展基于電化學驅動的非對稱自由基加成、可控官能化反應提供了理論與方法學基礎。鈷這一廉價、低毒金屬在其中的核心作用，展示了以可持續金屬催化替代貴金屬的可行性。可以預見，隨著電化學方法與自由基化學的進一步融合，未來將出現更多以單電子為主導的選擇性轉化體系，使反式選擇性構型控制從特例走向普適，推動有機合成向更加綠色、高效與精確的方向發展。
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標題：One-Electron Approach for Trans-Selective Alkyne Semi-Reduction via Cobalt Catalysis
作者：Rakesh Mondal,§Lior Galmidi,§Avra Tzaguy, Tal Sason, Moran Feller, Mark A. Iron, Liat Avram, Ronny Neumann, and Samer Gnaim*
鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c07630
