近日，南方科技大学化学系、格拉布斯研究院王健纯副教授团队成功利用新颖的化学修饰电极策略，克服不同催化剂氧化还原电势兼容性问题，并实现了仲醇的电化学去消旋化反应，相关研究成果以“Electrocatalytic Cyclic Deracemization Enabled by a Chemically Modified Electrode”为题发表在学术期刊 Nature Catalysis 上。
去消旋化是一种颇具潜力的构建手性中心的新颖手段，它能将一对外消旋体选择性地转化为单一对映体。尽管基于热化学和光催化的去消旋化研究有诸多进展，但电催化的去消旋化反应仍然是一项艰巨的挑战，此前未见报道。2023年，清华大学罗三中教授曾在综述中展望道：“电催化及磁场催化，有潜力拓展去消旋化的边界。”
去消旋化反应实现的最大难点在于需要打破动力学上的微观可逆性。传统上，氧化剂和还原剂的兼容问题形成了巨大的挑战。王健纯团队认为，可以利用金属氢催化，并结合阳极氧化动力学拆分和阴极还原的模式实现所谓的循环去消旋化。具体的设计思路是在阳极通过手性催化剂M1+选择性将其中一种构型的底物氧化成酮，而M1-H则被重新氧化成M1+（图1）。而在阴极又将酮重新还原为外消旋的一对醇，这样即使拆分的选择性不高，也可以通过多次循环，逐渐提高e.e. 值。
图1 电化学循环去消旋化的初步设计
然而，形式上的两个不同金属氢物种的氧化还原兼容性问题依然存在。王健纯团队聚焦有机合成领域鲜有涉及化学修饰电极（CME），利用铑配合物修饰的电极作为阴极，同时采用 Noyori 型催化剂作为阳极氧化的催化剂，成功实现了仲醇的电化学去消旋化（图2）。团队借助修饰电极策略将铑配合物固定在阴极表面，避免了不必要的氧化副反应的发生，同时使得铑配合物更易被还原，从而克服了两催化物种氧化还原不兼容的问题。值得注意的是，该反应只能利用化学修饰电极Rh-CME实现，如果使用均相的铑配合物Rh-3则无法实现这一过程。
图2 电化学循环去消旋化的实现，化学修饰电极与均相催化剂的比较
虽然是相同的手性铱催化剂，原文献（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 2447）中空气氧化动力学拆分策略的底物适用性受限（图3）。王健纯团队分析认为，即使一次循环拆分效果不佳，通过多次循环拆分可以显著增加e.e.。氧气作为氧化剂时会发生更多副反应，而电氧化反应更具选择性。因此，新策略有望在不改变催化剂的前提下，将不成功的动力学拆分反应转变为成功的去消旋化反应。
图3 电化学循环去消旋化与文献中空气氧化动力学拆分的对比
在机理实验方面，团队通过循环伏安实验证明了氧化还原不兼容，并通过氘代实验，证明了Rh−H的来源是质子的还原，而非从Ir−H的负氢转移。该反应也具有化学修饰电极所具有的一般优势。第一，电极可以重复利用，简单用溶剂冲洗即可投入下一次实验使用。第二，催化剂载量低，可测量出2.0 mmol反应的催化剂载量约为0.05 mol%，可回收与低载量的特性也让化学修饰电极的使用增加了实用性。
在本研究中，王健纯团队通过在有机化学领域鲜有涉足的化学修饰电极策略，巧妙克服了氧化还原兼容性问题，从而打破了微观可逆性原则，成功实现了电化学循环去消旋化反应。该方法有望为其他逆热力学电催化反应提供了一种新思路。
图4 电极的表征、重复利用实验及载量测量实验
南方科技大学2022级博士研究生祝呈捷为论文第一作者，硕士研究生杨秀莹为第二作者，王健纯研究员为通讯作者。南方科技大学为论文唯一通讯单位。上述工作得到了科技部国家重点研发计划、 国家自然科学基金委员会、 广东省催化化学重点实验室、深圳市科创委的经费支持。
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