α,β-不飽和羰基化合物的選擇性還原反應(yīng)是合成化學(xué)中一類重要的反應(yīng)類型，決定其選擇性的因素是親核試劑/還原劑和反應(yīng)物的硬度和柔軟度，從而分別決定是在羰基（1,2-加成）還是在β-碳（1,4-加成）上進(jìn)攻。與傳統(tǒng)的還原劑相比，催化硼氫化被認(rèn)為是一種溫和的還原方法，它依賴于市售的硼烷并顯示出更高的官能團(tuán)耐受性和選擇性。1,4-加成僅限于線性底物，不適用于無(wú)法獲得所需反應(yīng)性的s-順式構(gòu)象的環(huán)狀α,β-不飽和酮。解決這一重大局限性的方法非常有價(jià)值，因?yàn)樗梢詤^(qū)域選擇性地形成環(huán)狀烯醇硼酸酯，從而在烯醇硼酸酯和甲硅烷基烯醇醚對(duì)應(yīng)物的羥醛反應(yīng)中形成立體選擇性。
近期，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Christopher J. Teskey課題組報(bào)道了通過(guò)可見(jiàn)光控制金屬鈷催化劑配位，將反應(yīng)偏向兩種不同的合成方法上，從而在α,β-不飽和酮的催化硼氫化反應(yīng)中產(chǎn)生了相反的產(chǎn)物。這包括通過(guò)1,4-加成選擇性硼氫化直接獲得環(huán)狀烯醇硼酸酯，從而提供了直接、立體選擇的途徑，可在一鍋法中獲得順式醇醛產(chǎn)品。作者開(kāi)發(fā)的該方法與已建立的硬度/柔軟度反應(yīng)性概念相反，即通過(guò)使用可見(jiàn)光就能實(shí)現(xiàn)基本的選擇性逆轉(zhuǎn)，使反應(yīng)能夠通過(guò)外部刺激對(duì)反應(yīng)進(jìn)行精確控制，并避免使用任何化學(xué)計(jì)量的添加劑（圖一）。相關(guān)成果以“Photocontrolled Cobalt Catalysis for Selective Hydroboration of α,β-Unsaturated Ketones”為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.202009893）。
圖一、α,β-不飽和酮的選擇性還原和硼氫化
（來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）
首先，作者探究了可見(jiàn)光對(duì)線性底物反應(yīng)產(chǎn)生的影響。使用CoH[PPh(OEt)2]4與頻哪醇硼烷分別還原含有富電子和缺電子的芳烴類查爾酮，在黑暗條件下，苯溶劑中反應(yīng)后，得到1,2-加成產(chǎn)物；而在藍(lán)光照射下，在苯或四氫呋喃溶劑中反應(yīng)得到1,4-加成烯丙基醇產(chǎn)物。在有/無(wú)可見(jiàn)光的反應(yīng)條件下，查耳酮被選擇性還原，顯示出對(duì)選擇性的精確控制。當(dāng)官能團(tuán)位置從苯基酮變?yōu)榫哂笑?苯基取代的甲基酮后，在黑暗條件下，選擇性發(fā)生改變，反應(yīng)生成了1,4-加成烯丙基醇產(chǎn)物（圖二）。作者認(rèn)為這是由于烯烴異構(gòu)化，1,4-加成選擇性硼氫化和質(zhì)子化的原因。在先前的研究表明：鈷絡(luò)合物能夠在光照射下使烯烴異構(gòu)化。
圖二、鈷催化的α,β-不飽和酮的光控硼氫化的底物范圍
（來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）
其次，作者探究了可見(jiàn)光對(duì)環(huán)狀α,β-不飽和酮底物反應(yīng)產(chǎn)生的影響。僅使用可見(jiàn)光作為外部刺激，對(duì)區(qū)域選擇性獲得所需的硼烯醇鹽提供了極好的途徑。進(jìn)一步的優(yōu)化結(jié)果表明，在可見(jiàn)光照射下進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，可以得到更高產(chǎn)率的飽和酮。然后作者又通過(guò)探究烯醇硼與其他親電子試劑反應(yīng)，生成用于環(huán)狀底物的反選擇性羥醛產(chǎn)物。線性底物是控制醇醛立體選擇性的主要因素，而環(huán)狀底物則需要改變烯醇鹽。作者向硼氫化的中間體中添加1.5當(dāng)量的苯甲醛后，獲得了同分異構(gòu)體的產(chǎn)物，從而表明具有不同環(huán)尺寸的環(huán)狀烯酮底物是適合一鍋羥醛反應(yīng)的底物，合成的非對(duì)映異構(gòu)體均具有優(yōu)異的選擇性。作者繼續(xù)研究可以在反應(yīng)中使用的醛的范圍，發(fā)現(xiàn)富電子醛具有優(yōu)異的選擇性，雜環(huán)醛的效果也很好，但缺電子醛的選擇性較低（圖三）。
圖三、環(huán)狀底物的順式選擇性羥醛反應(yīng)
（來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）
最后，作者探究了反應(yīng)機(jī)理。為了進(jìn)一步揭示黑暗條件（飽和的18電子鈷配合物）和可見(jiàn)光條件（不飽和的16電子鈷配合物）之間的機(jī)理差異。DFT計(jì)算分析表明光會(huì)促進(jìn)配合物中的亞膦酸酯解離。盡管目前很大程度上底物的配位是通過(guò)羰基進(jìn)行配位，但氫化物遷移到C=O鍵的能量卻比進(jìn)入C=C鍵的能量要高得多（18.4 kcal/mol vs 10.7 kcal/mol）。這種差異是由于在C=O插入時(shí)具有高度扭曲的四元環(huán)躍遷狀態(tài)，而在C=C插入時(shí)所生成的碳負(fù)離子與羰基的良好共軛有助于Co–C鍵形成。而后發(fā)生酮-烯醇互變異構(gòu)反應(yīng)，總能壘為13.5 kcal/mol，能正常形成中間體。之后中間體可以輕易地進(jìn)行為1,4-加成反應(yīng)生成還原產(chǎn)物。在存在HBPin的情況下，中間體易變?yōu)榕?烯醇酯和Co(I)–H，從而完成催化循環(huán)。然后作者在黑暗條件下通過(guò)1H，11B和31P NMR監(jiān)測(cè)研究了反應(yīng)機(jī)理。將HBPin添加到催化劑中后，可以觀察到與H2相對(duì)應(yīng)的NMR信號(hào)，這表明反應(yīng)混合物促進(jìn)了Co(I)還原為Co(0)。作者通過(guò)計(jì)算方法探索了Co(I)–H到Co(0)的平衡，并發(fā)現(xiàn)即使伴隨著自由基物種的形成，還原反應(yīng)也很容易進(jìn)行。Co(0)配合物可與HBPin相互作用形成中間體，然后在環(huán)己酮底物的幫助下被激活，使一個(gè)孤對(duì)電子從鈷中心轉(zhuǎn)移到HBPin上，通過(guò)氫原子形成Co(I)–H。BPin自由基同時(shí)被底物的氧捕獲，形成共軛自由基。最后，OBPin烯丙基通過(guò)氫原子轉(zhuǎn)移與Co(I)–H反應(yīng)，通過(guò)過(guò)渡態(tài)又形成Co(0)和底物（圖四）。1,2-加成的重組比1,4-加成的重組快，這種差異可能是由于在亞膦酸酯配體中使用甲氧基而不是乙氧基引起的。
圖四、在可見(jiàn)光和黑暗條件下，環(huán)己酮硼氫化的自由能譜
（來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）
小結(jié)：德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Christopher J. Teskey課題組通過(guò)可見(jiàn)光控制金屬催化劑配位，實(shí)現(xiàn)α,β-不飽和酮的選擇性硼氫化。作者利用氫化鈷催化劑，使用市售的頻哪醇硼烷，在室溫下進(jìn)行一系列反應(yīng)，展現(xiàn)出催化劑根據(jù)光的存在或不存在來(lái)控制區(qū)域選擇性的獨(dú)特能力，從而僅使用一個(gè)反應(yīng)體系就可以得到各種各樣的產(chǎn)物，包括環(huán)狀硼烯酸酯，該化合物可用于順式選擇性醛醇縮合反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)和DFT計(jì)算結(jié)果表明，在黑暗和可見(jiàn)光中，兩種不同的機(jī)理途徑是有效的，這為實(shí)驗(yàn)中的選擇性提供了解釋。此外，該研究突出了金屬配合物的配體對(duì)反應(yīng)性和選擇性的重要作用，以及光控反應(yīng)的應(yīng)用潛力。
