推动未来：电化学如何在有机合成中发挥作用

一、文献信息

文献题目：Powering the Future: How Can Electrochemistry Make a Difference in Organic Synthesis?

通讯单位：德国哥廷根大学

DOI：10.1016/j.chempr.2020.08.025

Chem ( IF 25.832 ) Pub Date : 2020-09-24

二、文章简介

有机电合成领域最近越来越引起科学界的关注，为了说明这一独特的潜力，选择了当代有机电合成最近的四个代表性例子，重点介绍了四种具有代表性的有机电合成新发展趋势，即(1)配对电解，(2)创新电极材料，(3)电光催化，(4)不对称电催化。

三、文章要点

（1）配对电解：电合成一般可分为两个半电池反应，阳极氧化和阴极还原。然而，大多数的电有机合成策略只利用一个半反应。在最近几年的电有机领域中，阳极氧化主要被证明比阴极还原更通用。在这方面，通常采用铂或镍作为正极材料，以促进析氢反应作为还原副反应。因此，在合成转化过程中同时使用两个半反应，同样地，成对使用两个电化学反应，每一个都产生有用的合成产物是非常理想的。配对电解方法主要分为两种不同的类型。首先，两个半反应分别进行，要么在同一个电解池中(图2A)，要么在一个分离的反应装置中利用一个半反应的产物(图2B)。或者是两个半反应都直接参与目标产物的整体生成(图2C)

对(图2A)中用到的装置，Berlinguette团队构建了半透钯基膜反应器，通过配对电解将阳极产生的质子还原为氢。这种方法导致了更高的电压效率，并且在各种有机溶剂中还原反应是可行的，而且不需要额外的导电盐。对(图2B)中用到的装置，Moeller将形成的氢气转移到第二个反应烧瓶中，在那里它以一种环境友好的方式进一步用于催化还原(图2B)。在早期的研究中，两个研究小组都独立地利用了配对电解的方式，通过阳极氧化形成增值产品的同时减少二氧化碳的排放。对(图2C)中用到的装置，Baran采用了一种不同的策略，利用配对电解的优势，在电化学镍催化胺化过程中实现净氧化还原-中性转化(图2C)。他们提出了两个半反应与预期的镍催化转化的相关性。它们的作用机制包括镍(II)预催化剂阴极还原为推测活性的镍(I)，而镍(0)配合物则不能参与完全排除。值得注意的是，作者提出了镍(II)的阳极氧化诱导C-N键形成步骤。基于他们的机理指导，能够通过配体优化的方式调整催化系统，导致高官能团相容性。该报道强调了配对电解对金属电催化转化的兼容性。

（2）新型电极材料：电极材料的选择为有机化学家在非选择性氧化还原转化中诱导化学选择性提供了有力的工具。在修饰电极材料的帮助下，显示氧化还原敏感功能的分子可以被转化为提高化学选择性水平的分子。这一方法与传统的化学氧化剂不同，后者受其固定氧化还原电位的限制。例如，Yudin利用动力学转化的过电位来诱导化学选择性氧化，以区分烯烃和胺。在这里，他们观察到选择性氮吡啶的形成，没有明显的烯烃过氧化(图3A)。研究表示，如果用碳取代铂阳极，则不能得到理想的产品。他们将高选择性归因于铂阳极上烯烃氧化的阳极过电位。最近，Chiba设计了不同取代苯乙烯与分子氧的选择性功能化(图3B)。在这里，电极材料的性质起了关键作用，在铂阳极有羰基化合物形成，而四氢呋喃通过苯乙烯的初始电化学二聚反应在碳基电极上获得。然而，还原性半反应通常受到有毒和环境不友好的汞、镉或铅阴极材料的必要性影响。沿着同样的路线，牺牲阳极经常被用来促进阴极半电池反应。因此，牺牲负极材料会生成有机金属废物而且反应处理起来比较麻烦。为了解决这些限制，Waldvogel使用操作简单的铅-青铜电极进行1,1-二溴环丙烷的阴极脱功能化(图3D)。成功的关键是竞争的HER有高过电位，同时提供高化学稳定性，以防止任何电极材料的腐蚀。值得注意的是，类似的合金，如铅铜电极，在大规模的己二腈合成中取得了巨大成功。

（3）电光催化：利用光化学转化的优势，光化学和电化学的合并具有一个可持续的、协同的平台的独特潜力。如单电子转移（SET）产生烷基和吖啶基，后者在阳极进一步氧化，使催化剂在其基态下再生（图4A）。通过DDQ的初始光激发，产生其激发态物种DDQ自由基，然后氟芳烃氧化为相应的自由基阳离子和DDQ自由基负离子。缺乏电子的中间产物被相应的亲核试剂攻击，生成自由基加合物。阴极还原和氟消除释放出所需的产物。DDQ自由基阴离子最终在碳阳极上再氧化，从而产生净氧化还原-中性配对电化学转变(图4B)。同时，他还独立开发了一种光电催化氧化未活化醇的方法，该方法以铀氧B2衍生物四乙酸核黄素(RFT)为光电催化剂，硫脲为助催化剂(图4C)。Ackermann独立开发了各种芳烃和杂芳烃的直接C-H三氟甲基化的电光化学策略，借助环境友好和廉价的朗格卢试剂(CF3SO2Na) (图 4D)。电光化学转化的坚固性体现在极广的底物范围上，包括富电子和缺电子的芳烃和生物活性的天然产物。值得进一步注意的是，电光化学三氟甲基化反应是在电流动条件下成功进行的，因此允许在操作数核磁共振中监测电光催化。前面的例子强调了光氧化还原催化剂的光激发，随后在电极表面氧化或还原。在电光催化中，基本步骤的逆顺序也是可行的。因此，以三三氨基环丙烯(TAC)离子为电光催化剂的初始酯化反应实现了富电子芳烃的电光化学胺化。因此，一个合理的催化循环是由TAC的电化学氧化到自由基化，以及随后的光激发，转化为+3.33 V / SCE的高氧化功率足以将苯氧化为相应的自由基阳离子(图4E)。这种极高的还原电位被利用到将原本惰性的富电子的芳基氯化物还原为相应的芳基自由基，从而形成C-B, C-C或C-Sn键。在他们的机制原理中，DCA被电化学还原为自由基阴离子，再被光激发生成高活性的DCA. - * (图 4F)。之后，自由基阴离子被光激发到一个强大的还原剂，能够减少甚至芳香族氯化物。当考虑到这种策略提供了类似于Li或Na金属的还原电位时，特别值得注意的是，电光催化剂可以耐受广泛的敏感亲电官能团，包括酯、腈或氨基甲酸酯(图 4G)。

（4）不对称的电催化作用：与最近在电合成上的复兴相比，目前不对称电合成只有很少的报道。一个值得注意的例外是，Hurvois披露了在手性辅助直接氰化的帮助下，四氢异喹啉生物碱的两种对映体的电化学合成。与此形成鲜明对比的是，Reisman最近报道了在温和反应条件下手性镍催化剂的对映选择性电还原偶联(图5A)。在牺牲阳极的辅助下，烯丙基立体中心是在阴极环境中形成的，反应活性表现出2 F/mol的优良法拉第效率。同样，Meggers利用一种创新的手性铑刘易斯酸催化剂(图5B)实现了不对称烯酸交叉偶联。最近，Ackermann开发了具有完全对映选择性控制的钯电催化的C-H烯基化反应，这使得通过一种新的瞬态定向基团电化学策略(图5C)组装结构复杂的螺旋烯成为可能。电合成与不对称催化相结合的特点是手性溶剂、手性电解质、或手性电极具有独特的应用潜力。然而，尽管在不对称电催化方面取得了关键进展，但其重大挑战仍然存在。同时需要注意的是，敏感的手性催化剂与电解质或导电反应介质之间的不利相互作用可能会显著改变催化剂的性能。

五、总结

从以下方面描述了有机电合成新趋势:首先，在配对电解中同时使用两个半反应通过氧化和还原反应来实现能源的有效利用;第二，通过对过电位的合理控制，新的电极材料将极大地改变电合成的现状;第三，电光催化提供了一种方法，可以在有机转化中获得极端氧化还原电位的新水平，但官能团的耐受水平迄今尚未满足;第四，对映选择性电催化是在非常温和的反应条件下进行不对称合成的新趋势。

转自：“科研一席话”微信公众号

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