炔烃的选择性半氢化是构建碳碳双键最为直接有效的策略之一，而双键的立体化学构型（E/Z）对于化合物的物理性质和生物活性具有决定性影响。在过去几十年的研究中，顺式（Z）选择性半氢化方法已经相当成熟，典型如Lindlar催化剂、部分贵金属体系及多种过渡金属氢化物反应，其反应机理通常经历“syn-加成”路径，两个氢原子同侧加成于炔烃碳碳三键，从而生成Z-烯烃。然而，反式（E）选择性的半氢化一直是合成化学中的难题。这是因为反式产物的生成需要两个氢原子分别从分子的相对两侧加成，而传统金属氢化物体系往往受限于协同加成的几何要求，难以在温和条件下控制这种空间定向。过去的策略主要依赖于Z-产物的后续异构化或强还原条件下的溶解金属反应（如Na/NH₃），但这些方法往往条件苛刻、底物适用性差，并且对含敏感官能团分子不友好。此外，反式选择性半氢化在传统思路中通常需要高压氢气或贵金属体系，这在绿色化学和可持续发展角度上也存在明显局限。随着单电子化学与电化学方法的发展，研究者开始思考能否以“单电子过程”取代传统的双电子氢化思路，使反应在自由基路径下实现更灵活的立体控制。电化学能够在温和条件下精准提供电子流，并以电流作为还原剂，避免外加化学还原剂或气体氢源，因此成为重塑反式半氢化反应机理的理想平台。本文研究正是在这一背景下展开，作者尝试以钴为催化中心，借助电化学条件原位生成钴氢活性物种，通过自由基转移路径实现炔烃的跨式半氢化，为反式烯烃的合成提供一种全新的、单电子控制的解决方案。

图片来源：JACS

本研究构建了一种依托单电子过程的钴催化体系，在温和条件下实现炔烃的反式选择性半氢化反应，并系统阐明其机理与底物适应性。研究团队设计了一个无隔膜电解体系，以钴-salen络合物作为催化剂核心，在锡阴极与锌牺牲阳极条件下运行，通过电流驱动Co(II)/Co(I)循环，从而在溶液中原位生成Co–H中间体。实验中选用六氟异丙醇（HFIP）作为质子源，同时引入异丁醇（i-BuOH）作为共溶剂，使Co–H物种得以在体系中稳定形成并参与氢原子转移（HAT）过程。通过循环伏安（CV）和旋转圆盘电极（RDE）实验，研究者验证了HFIP的加入可显著增强Co(II)/Co(I)还原电流，证明其参与形成Co–H中间体；结合原位紫外可见光谱电化学实验，进一步观察到与烯基-Co(III)中间体相对应的特征吸收峰，从光谱层面印证了反应的逐步过程。随后利用密度泛函理论（DFT）计算揭示了反应机理：炔烃首先与Co–H发生外球插入生成烯基-Co(III)物种，随后Co–C键均裂生成烯基自由基，再经氢原子转移终止，获得E-构型烯烃。该过程的关键在于单电子还原驱动的自由基均裂步骤，它为氢原子从两侧加成提供了空间条件，从而天然倾向于反式构型。

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实验优化表明，以Co-4为最佳催化剂、HFIP与i-BuOH的比例适中时，可在常温常压下实现E/Z选择性高达96:4的结果，并且反应无需惰性气氛保护。底物范围测试显示，该体系对炔胺、烯醚、芳基及脂肪族内炔等多种底物均表现出良好反式选择性和官能团耐受性，且未观察到过度氢化现象。值得注意的是，作者还利用氘代质子源（HFIP-d₁或i-PrOD-d₁）实现了高选择性的E-氘标记产物生成，为同位素探针分子的制备提供了新方法。此外，对于含两个炔基的二炔底物，该体系可根据位阻和电子效应选择性还原其中一个炔键，展现出独特的位点选择性。最后，为验证机理的普适性，作者进一步开发了一个与电化学互补的氧化Co–H路径，以PhSiH₃与TBHP为组分实现化学版本的反式半氢化，对在电还原体系中不活泼的底物（如叠氮、炔胺）同样适用，从而形成电化学与化学氧化条件下可互补的双路径体系。

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该研究以钴催化电化学体系为平台，首次在无贵金属、无外加氢源、常温常压条件下实现了非活化炔烃的高效反式选择性半氢化，建立了基于单电子自由基过程的立体选择性构建新范式。与传统顺式路径截然不同，这一策略通过电化学控制Co–H的生成与自由基均裂，实现了“电子流”对构型的精细调控，充分体现了绿色化学理念。该方法不仅在底物兼容性和官能团耐受性上显著优于已有体系，同时展现了独特的氘代选择性与位点控制能力，为复杂分子的精细立体编辑与稳定同位素标记提供了可行途径。更为重要的是，该工作从机理上揭示了自由基过程在立体化学控制中的潜力，证明单电子化学完全可以替代传统的双电子路径，实现对反式构型的直接合成。这一发现不仅丰富了过渡金属催化加氢化学的内涵，也为后续发展基于电化学驱动的非对称自由基加成、可控官能化反应提供了理论与方法学基础。钴这一廉价、低毒金属在其中的核心作用，展示了以可持续金属催化替代贵金属的可行性。可以预见，随着电化学方法与自由基化学的进一步融合，未来将出现更多以单电子为主导的选择性转化体系，使反式选择性构型控制从特例走向普适，推动有机合成向更加绿色、高效与精确的方向发展。

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标题：One-Electron Approach for Trans-Selective Alkyne Semi-Reduction via Cobalt Catalysis

作者：Rakesh Mondal,^§Lior Galmidi,^§Avra Tzaguy, Tal Sason, Moran Feller, Mark A. Iron, Liat Avram, Ronny Neumann, and Samer Gnaim*

链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c07630