本文来自X-MOLNews
有机电化学合成直接利用清洁的电子为“试剂”，避免了当量的化学氧化/还原剂的使用，是符合绿色化学和可持续发展的重要方向。近年来，该领域迎来了一轮新的研究热潮，然而利用电能实现不对称催化的例子却比较少见。造成这一现象的原因，除了控制电化学生成的活泼中间体的立体化学极具挑战性，就是很多手性催化剂不能很好地兼容电解条件。近期报道的催化不对称电化学反应，往往采用分离电化学过程和不对称催化的策略。例如，以手性胺催化剂和酮缩合生成的烯胺中间体来捕获阳极氧化获得的亲电试剂，从而实现了酮的不对称电化学氧化。在这类反应中，手性催化剂并没有参与电化学得失电子的过程，理论上电化学过程是可以被其他氧化/还原手段所替代。而且为了保证手性催化剂的耐受性，使用的是易得失电子的底物，一定程度上限制了该策略的应用价值。
最近，德国马尔堡大学Eric Meggers教授课题组发展了一种新颖的策略，利用金属中心手性的八面体铑催化剂，在参与促进电化学氧化过程的同时，实现自由基中间体化学的手性控制。在电能的驱动下，他们实现了2-酰基咪唑和烯醇硅醚的选择性氧化交叉偶联，合成了多种光学纯的1,4-二羰基化合物，其中包括了多种含全碳季碳手性中心的产物（图1）。这一少有的高效、高立体选择性的不对称电化学催化近日发表在Nature Catalysis 上。
图1. 电能驱动的不对称Lewis酸催化。图片来源：Nat. Catal.
Meggers课题组近年来在八面体金属中心手性催化剂的合成和应用上做出了开创性贡献。Meggers此前利用该催化剂发展了一系列新颖的不对称光反应，本文报道了此类催化剂在不对称电化学合成中的首例应用。作者设想，八面体Lewis酸催化剂能够通过底物的HOMO活化，从而促进阳极的单电子氧化过程。而且生成的活泼自由基中间体一直络合在手性催化剂上，确保了后续自由基化学的立体诱导（图2）。因此，温和的反应条件、更少的副反应以及更好的手性控制是能够预见的。
图2. 反应设计。图片来源：Nat. Catal.
本文的研究得益于IKA公司联合Baran教授等人研发的ElectraSyn 2.0电解平台。如图3所示，在ElectraSyn 2.0的无隔膜电解池中，在八面体手性铱络合物Δ-Ir1催化下，1a和2a的反应能够以27%的收率和98%的ee值生成目标化合物3a（entry 1）。大位阻、配体交换更快的Δ-Rh2催化剂能将收率提高至82%（entry 3）。通过对不同电极材料、电解质和电流大小的筛选，最后得到的反应的最佳条件（entry 6）：在无隔膜电解池中，以石墨为阳极材料、镀铂电极为阴极、甲醇/四氢呋喃（2:1）为溶剂，四丁基六氟磷酸铵为电解质，在恒定0.6 mA的电流下电解2.4 F/mol左右的电量。在该条件下，标准产物的3a的分离收率达到79%，对映异构体选择性达到97% ee。
图3. 条件优化。图片来源：Nat. Catal.
控制实验确认了铑催化剂的重要性——没有催化剂的情况下，全部生成烯醇硅醚自偶联的副产物（entry 11）。作者还对比了其他氧化体系。可见光激发、以氧气为氧化剂的条件下，只能以11%的收率和86%的ee值生成目标化合物（entry 13）。该光促体系转化率低，同时生产难以避免的1a被氧化成1,2-双酮的副产物。此外，以SOMO催化中常用的CAN为化学氧化剂，反应效果非常不好。大部分原料分解，只观测到8%的目标化合物生产，ee值为81%（entry 14）。这些对比清楚地显示出电化学合成在该转化中的优越性。
接着作者对底物范围进行了考察（图4-5）。该反应兼容多种不同类型的咪唑和烯醇硅醚。作者总共展示了38个例子，最高收率91%，其中产物3j的ee值超过99%。使用两步一锅法，可以从苯乙酮直接出发，和咪唑底物发生电化学偶联反应。本文的一大亮点在于，该催化不对称电化学体系，能以很好的收率和ee值构建一系列含全碳季碳中心的羰基化合物（6）
图4. 电化学催化合成光学纯1,4-二羰基化合物（叔碳中心）。图片来源：Nat. Catal.
图5. 电化学催化合成光学纯1,4-二羰基化合物（季碳中心）。a：Δ-Rh1为催化剂。图片来源：Nat. Catal.
为了更好地理解反应机理，作者首先合成了关键的八面体铑烯醇中间体（图6）。循环伏安分析表明，铑烯醇化合物是体系中最容易被氧化的物种。其单电子氧化生成的自由基中间体的存在，通过TEMPO或烯烃捕获实验得到了证明。图7展示的催化循环中，底物首先配位和去质子化，生成富电子的铑配位烯醇中间体（II）。阳极单电子氧化生成的铑配位的自由基中间体（III）,被富电子烯醇硅醚捕获。进一步的氧化、脱硅、产物解离，生成最终的产物，并完成催化循环。
图6. 机理研究。a：关健铑烯醇中间体的鉴定和循环伏安分析。图片来源：Nat. Catal.
图7. 催化循环。图片来源：Nat. Catal.
——小结——
Meggers教授课题组报道了一例新颖高效的不对称电化学催化方法，用以合成多种光学纯1,4-二羰基化合物。他们发展的八面体手性催化剂，再一次展现出卓越的催化效果，不仅能很好地兼容电化学反应条件，还能通过铑烯醇的生成活化底物、促进阳极氧化的过程。简单温和、环境友好的条件，极佳的反应效果以及宽广的底物适用范围，使得该反应具有很好的潜在应用价值。该工作有望促进更多活化策略应用于催化不对称电化学合成。
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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