第一作者：Matthew J. Chalkley、Pablo Garrido-Barros1. 設計了一種由二甲基苯胺堿與二茂鈷陽離子電子受體結合而成的分子介體2. 證明了電化學生成的分子介體可以通過eCPET將苯乙酮轉化為其相應的中性α-自由基研究背景：協同的質子-電子轉移策略對電催化有機合成具有重要意義許多化學反應涉及質子和電子的同時轉移。在電化學合成中，這一機制在降低陰極電子轉移所需的能量方面被證明是有用的。質子耦合電子轉移（Proton-coupled electron transfer, PCET）是金屬有機化學中非常重要的研究內容，它幾乎參與了生物體/自然界中所有小分子活化過程（H2，N2，O2，CO2，H2O，NOx）。據中國科學院大學楚甲祥課題組微信公眾號（ID: ChuGroup_UCAS）文章介紹：PCET最核心的思想是，由于氫原子相當于一個質子加一個電子，因此氫原子轉移過程實際上可以看成是質子轉移和電子轉移兩個過程。PCET包括三條路徑：1）協同的質子-電子轉移（Concerted proton-electron transfer, CPET，和PCET僅有兩個字母位置不同）；2）先發生質子轉移，后發生電子轉移（proton transfer followed by electron transfer, PT-ET）；3）先發生電子轉移，后發生質子轉移（electron transfer followed by proton transfer, ET-PT）。參考鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/D24db_1_WNS1KD1mME1ZFw盡管涉及初始電子轉移（ET）和隨后的質子轉移（PT）的電化學轉化也非常有用（例如，電化學Birch還原或電化學己二腈合成），但所需的偏壓要比協同的質子電子轉移（CPET）初始步驟所需的偏壓高得多。例如，基于硝基自由基的電催化CPET（eCPET）策略的氧化方法與ET-PT方法相比顯著降低了起始電勢。為了能夠進行CPET，介體必須促進質子和電子的快速共定位，該質子和電子具有足夠的反應性以形成目標X-H鍵，同時在動力學上抑制了H2的形成。如果能夠做到這一點，CPET介體將提供電化學手段來獲得有價值的中性自由基中間體。通過配位誘導的O-H鍵的削弱，可以產生具有足夠活性以還原不飽和底物的CPET供體。與此相關的是，弱均裂且因此具有活性的Fe-H鍵的形成被用來解釋硅烷(Si-H)與烷氧基鐵(Fe-OR)結合時觀察到的CPET反應性。通過將一種酸與一種強光還原劑配對，也已經證明了一種可以觸發CPET降低還原反應難度的光化學方法。盡管這些策略在合成上是有用的，但它們中的每一種都依賴于包含化學計量的還原劑（分別為SmII，硅烷和胺），且它們對eCPET的適應性尚未證明是直接的。有鑒于此，加州理工學院的Jonas C. Peters等人，開發了一種合成用于電化學活化的強CPET介體的方法。通過布朗斯德酸和氧化還原介體的合成整合，設計了一種用于電化學驅動還原性CPET的分子介體。證明了布朗斯臺德酸和氧化還原介體的合成整合促進了還原誘導的鍵弱化，從而在存在過量酸的情況下在陰極實現了受控的還原性eCPET。高活性CPET供體[(Cp)Co(CpNH)]+可以通過[(Cp)Co(CpNH)][OTf]2的低溫還原或(Cp)Co(CpN)的低溫質子化而在原位生成，這一點由光譜學和冷凍猝滅電子順磁共振譜學證明，它也可以電化學方式產生。將苯胺衍生的布朗斯臺德堿加到二茂鈷上可以加快質子化速度（由于在氮中的重組極少），并使CoIII/II氧化還原對絕緣，因為鈷的直接配位域保持不變。苯胺修飾二茂鈷(Cp)Co(CpN)(其中CpN為4-N,N二甲基苯胺環戊二烯基)，可以以純形式分離出來，它的氧化CoIII鹽[(Cp)Co(CpN)][OTf]也可以。后者可以很容易地質子化得到[(Cp)Co(CpNH)][OTf]2(其中CpNH為4-N,N-二甲基苯胺基環戊二烯基)。CPET供體[(Cp)Co(CpNH)]+的N-H BDFE是研究的中心內容。為了評估BDFE，通常需要測量溶劑中逐步ET-PT或PT-ET途徑的熱化學性質。如非水熱化學中常見的那樣，在乙腈中進行了熱化學測量[乙腈中的CG（MeCN）為54.9 kcal mol-1]。研究發現，[Cp2Co]+在苯胺環上起著吸電子取代基的作用。根據公式BDFE=1.37×pKa+23.06×E°+CG，預測[(Cp)Co(CpNH)]2+的BDFEN-H為79 kcal mol?1。這個值與N,N-二甲基苯胺(79 kcal mol?1)的BDFEN-H非常吻合。但是，將CoIII還原為CoII態會使遠端N-H鍵的強度降低40 kcal mol-1。圖 2 與二茂鈷介導的CPET相關的機理，合成和熱化學
選擇了苯乙酮作為模型底物，盡管[(Cp)Co(CpNH)]+是一種比[4-CNPhNH3]+弱的酸，但質子和電子的共定位似乎大大提高了反應速率。在[(Cp)Co(CpN)]+/0氧化還原偶聯中，[(Cp)Co(CpNH)]2+的CVs不受干擾，而在[(Cp)Co(CpN)]+/0氧化還原偶聯中觀察到額外的還原事件后，[(Cp)Co(CpNH)]2+的CVs不可逆。這些數據建立了[(Cp)Co(CpNH)]+的凈質子和電子轉移到苯乙酮，然后還原了所生成的[(Cp)Co(CpN)]+產物。為了確定速率決定步驟中質子-電子轉移的協調性質，通過比較實驗中使用[4-CNPhNH3]+或[4-CNPhND3]+時不同掃描速率下的催化電流，確定了催化的動力學同位素效應(KIE)。所得到的數據完全與速率確定的從[(Cp)Co(CpNH)]+還原為苯乙酮以形成其中性a-自由基的還原性CPET一致。中性的a自由基中間體的產生證據是由受控電位庫侖法(CPC)實驗和隨后的產物分析提供的。eCPET的整體法拉第效率(FE)為39%。剩余的大部分電流被用來形成H2 (FE = 45%)作為副產品，在低酮濃度時，HER反應可能開始占主導地位。實驗結束時的X射線光電子能譜并未顯示Co在BDD電極上的沉積，分子CPET介體在CPC實驗過程中保持穩定。與直接在電極上發生的轉化（可能會遭受吸附和鈍化過程）相比，分子eCPET介體更具優勢。總而言之，二茂鈷和布朗斯臺德酸的合成整合提供了一種分子CPET介體，該介體通過氧化還原誘導的鍵弱化起作用。該方法將還原劑和酸的化學能力存儲在單個分子內，以促進CPET向受體分子的雙分子過渡態。質子和電子的位點隔離在動力學上減弱了熱力學有利的HER反應，從而允許以電催化方式還原CPET。Matthew J. Chalkley et al. A molecularmediator for reductive concerted proton-electron transfers via electrocatalysis.Science, 2020.DOI: 10.1126/science.abc1607http://doi.org/10.1126/science.abc1607
