温和条件下钴催化喹啉高对映选择性氢化
开发基于3d金属铁、钴、镍、锰的催化剂以替代4d或5d贵金属催化剂，实现手性分子的不对称合成，已成为当前研究领域的一大挑战。这主要归因于这些3d金属较小的原子半径、独特的电子性质、多样的氧化态以及配位构型的可变性，使得在催化反应中往往难以构建兼具高活性和结构稳定性的催化体系。螯合型三齿配体在稳定3d金属方面展现出独特优势，结合金属配位理论中“硬亲硬，软亲软”的原则，软硬兼具的PNN配体近年来在3d丰产金属催化领域获得了广泛关注。在众多3d金属中，钴作为铑、铱等常用贵金属的同族元素，自20世纪70年代起便被应用于不对称氢化反应，但由于受铑、铱高效催化体系的影响，其发展滞后了近40年。捷克论坛
汤卫军课题组长期致力于不对称氢化反应研究。近年来，该课题组开发了多类基于手性氨基膦骨架的三齿PNN配体，并以丰产金属钴为核心，开展了钴催化酮（Chin. Chem. Lett. 2021, 32, 1241–1244）及喹喔啉（Chin. Chem. Lett. 2025, 36, 110081）的不对称氢化研究。通过不断优化相应电子性能与手性环境，发展了一类兼具膦手性与碳手性的手性PNN配体，首次在温和条件下实现了喹啉的不对称氢化，获得了高达99.9%的对映选择性（图一）。
图一 Co-PNN催化剂的迭代
图二 现有钴催化喹啉氢化/转移氢化反应
手性四氢喹啉是一类重要的生物活性分子，直接氢化相应的喹啉底物是获取该手性化合物的重要且直接的方法之一，多年来发展了各类贵金属催化氢化体系，取得很好的结果。目前钴催化喹啉的氢化还原依然处于非手性还原阶段，且相应的反应条件比较苛刻（图二），基于目前的现状，结合前期的工作基础，通过对系列手性Co-PNN催化剂的电子调控及空间调节，实现了室温下2-甲基喹啉不对称氢化反应，通过发展一类同时具有膦手性和碳手性的空间骨架结合富电子的N-烷基化苯并咪唑配体，共同提供了最优的催化效果（图三，Cat. C 和 Cat. G）。该研究结果表明，催化剂配体的细微变化对反应结果具有重要影响，也为后续开发基于3d金属催化各类不饱和底物的不对称氢化反应提供了有效指导。
图三. Co-PNN催化剂的筛选及晶体结构 (图片来源：J. Am. Chem. Soc.)
该反应体系表现出良好的底物适应性（51个实例，对映选择性高达99.9%）。在此基础上，研究团队（汤卫军副教授、肖建良教授）联合西交利物浦大学汪小泰教授，通过实验探究与泛函理论计算，提出了1,2-1,2-氢转移机理。该过程涉及Co(I)与Co(III)之间的价态变化，碱催化1,2-二氢喹啉促进喹啉底物的1,4-加成生成烯胺并发生异构化，最终通过第二次1,2-氢转移实现手性四氢喹啉的不对称合成（图四）。
图四. Co-PNN催化喹啉不对氢化反应的可能机理 (图片来源：J. Am. Chem. Soc.)
该研究设计并合成了一类同时含有碳手性中心和膦手性中心的PNN三齿配体，在室温条件下实现了钴催化2-取代喹啉不对称氢化还原，为手性3d金属配合物在不对称催化反应中的应用提供了新的研究思路与有效途径。该成果近期发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society），论文第一作者为捷克论坛
已毕业博士生张明会与西交利物浦大学博士生刘琳，汪小泰，肖建良，汤卫军为共同通讯作者。感谢胶体与表界面教育部重点实验室开放基金的支持（(GK202205011)，特别感谢分析测试中心孙华明教授，樊娟女士分别在晶体衍射分析及高分辨质谱分析方面提供的协助，肖丹女士提供ICP-MS样品分析。
论文DOI://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c01182
供稿人：汤卫军
