以水为氧源的电驱动仿生不对称催化氧化

Replication of non-heme enzymes’ unique ability to chemically perform efficient catalytic asymmetric oxidation is of fundamental significance for the green synthesis of chiral molecules and the better understanding of enzymes. Recently, as a more sustainable approach, electro-organic synthesis is attractive and booming due to extra redox reagent free. Therefore, we aim at developing an electrochemical asymmetric oxidation catalyzed by chiral biomimetic metal complexes with H2O as the oxygen source. In the establishment of this system, the first consideration lies on the rational design, modification, and manipulation of metal complexes and redox properties on the basis of the existed bioinspired catalytic systems. Then, other key experimental conditions, such as voltage, electrode, solvent and temperature, are also scrutinized to ensure the formation of reactive high-valent metal-oxygen species by stepwise anodic electron transfer and concomitant deprotonation. Thus achieve clean hydrogen fuel at the cathode, as well as chiral products at the anode via the enantioselectively oxygen atom transfer between substrate and metal-oxygen species where the oxygen comming from H2O. In addition, in order to probe more insights into the mechanism, the characterization of the high-valent metal-oxygen species is studied by the combination of isotope labelling experiments, cold-spray ionization mass spectrometry and UV-Vis sepctroelectrochemical technique. This project will not only provide an electro-assisted activation and full transformation of H2O without additional oxidant, but also is hopefully to further promote the sustainability-oriented biomimetic oxidation methodology.

非血红素加氧酶模拟的仿生不对称催化氧化，在手性合成和酶机理研究领域有重要的科学意义。基于有机电合成一般不需额外氧化还原试剂的优点，本项目拟发展以水为氧源的电驱动不对称催化氧化体系。在已有的仿生氧化基础上，通过金属配合物结构的合理修饰与氧化还原电势的有效调控，再结合电位、电极、溶剂、温度等因素的精确控制，以水为氧源，促进金属配合物向阳极电子转移及后续去质子化，形成高价金属-氧物种，然后将源于水的氧原子立体选择性地转移到有机底物，并伴随阴极质子还原产氢。利用同位素标记、冷喷雾质谱和紫外可见-电化学联用等，表征高价金属-氧物种的化学信息，阐明反应机理。本项目的实施，不仅有望利用电辅助实现无额外氧化剂下水分子的活化与完全转化，也将进一步推进以可持续发展为导向的仿生催化氧化方法学。

自然界中的许多氧化酶的金属活性位点可以与氧气结合，并经过一系列转化变成高价金属-氧中间体，最终催化内源性底物的氧化反应。因此，利用有机小分子配体的过渡金属配合物来模拟酶活性中心，有助于开发可持续性的仿生催化氧化体系，并帮助理解酶作用机制。除了氧气和其它人工氧化剂，利用电化学来促进金属配合物的氧化，并以其配位的水分子为氧源，为构建无化学氧化剂的催化体系又提供了另一条绿色途径。鉴于此，本项目以构建仿生金属配合物电化学催化氧化体系为基础，延伸并开展了一系列催化氧化工作，包括：（1）设计、合成和表征了仿生的有机小分子四齿和五齿氮配体以及相应的铁、锰金属配合物，并通过循环伏安法了解了其电化学性质；然后以水为氧源实现了电促进的铁、锰配合物催化有机氧化反应，并对于特定底物可以获得一定的对映选择性；（2）以二价钴盐为催化剂，以单过硫酸氢钾复合盐为氧化剂，将邻芳基苯甲酸氧化制备了苯并香豆素类化合物，并通过机理研究实验表明高价钴-氧物种参与了氧化过程；（3）以商品化的四价铈（硝酸铈铵）为氧化剂，研究了邻芳基苯甲酸单电子氧化-分子内自由基加成-二次电子转移，最终转化为二芳基内酯的反应机理，并且根据电化学循环伏安分析提出氟化溶剂可以提高四价铈的还原电势；（4）分别以水和空气、过硫酸钾和空气为绿色氧源，发展了炔烃氧化合成邻二酮的反应体系，并通过同位素标记实验对提出的反应机理进行了佐证。本项目以仿生金属为核心，着眼于配体及配合物合成、配合物电化学性质、高价金属-氧中间体、绿色氧源、反应体系等方面并取得了一定结果，进一步发展了仿生催化氧化化学。