第一作者：Zi Zeng, Haoran Li
通訊作者：陳宜鴻，雷愛文
通訊單位：武漢大學(xué)
研究要點：
1. 通過電催化氧化在常壓室溫下實現(xiàn)Pd催化末端炔烴的氨基羰基化反應(yīng)
2. 該體系拓展至83種催化底物，包括多種末端炔烴以及不同類型的胺、甚至銨鹽
3. 通過原位紅外、快速掃描XAS等表征進行了機理研究
研究背景
羰基衍生物廣泛存在于各類醫(yī)藥分子、天然產(chǎn)物中，是一類重要的有機分子。在各類羰基衍生物制備路徑中，氧化羰基化被認為是一種綠色、原子經(jīng)濟的路徑。但使用CO+O2作為反應(yīng)原料氣面臨爆炸極限范圍廣的問題（12.5-74%），此外，該反應(yīng)常需要在高溫高壓下才能有效進行，限制了該反應(yīng)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。因此，探索非氧氣氣氛、溫和條件下的氧化羰基化反應(yīng)具有重要的基礎(chǔ)研究意義和工業(yè)應(yīng)用價值。
有鑒于此，武漢大學(xué)陳宜鴻、雷愛文等人開創(chuàng)性地發(fā)展了一種電催化陽極氧化輔助Pd催化末端炔烴氨基羰基化的策略。該方案不僅可以在常壓室溫下進行，且可以拓展至多種不同類型的底物分子。此外，作者還結(jié)合原位紅外、快速掃描X射線吸收（QXAS）等原位表征方法研究了該反應(yīng)催化機理。
要點1. 催化反應(yīng)條件優(yōu)化
作者首先以苯乙炔（1）和環(huán)庚胺為催化底物，探索了不同Pd催化劑、有機磷配體、溶劑體系以及電位條件催化活性和選擇性的影響。優(yōu)化反應(yīng)條件下{0.8 mmol苯乙炔（1）, 0.4mmol環(huán)庚胺, PdCl2 (2.0mol%), 三（對甲苯基）膦[P(p-tol)3] (5.0mol%), NEt3 (0.80mmol), Et4NBF4 (1.0mmol) MeCN/n-BuOH (4.5ml/0.50ml)}常壓CO以及碳布陽極0.6 V vs AgCl/Ag(SCE)電位下24小時氧化羰基化產(chǎn)物——N-環(huán)庚基-3-苯基丙醇酰胺N-cycloheptyl-3-phenylpropiolamide(2)產(chǎn)率可達78%，而僅有少量副產(chǎn)物甲酰胺(2a)生成。對比實驗可以發(fā)現(xiàn)，常溫常壓下電催化條件必不可少，PdCl2相比于其他鹵素配位催化劑具有更高的催化效率，有機膦配體中苯環(huán)和苯環(huán)對位甲基取代有較大影響。
要點2. 機理研究-循環(huán)伏安實驗
在模擬反應(yīng)條件下控制加入上述優(yōu)化條件中的不同種類試劑進行循環(huán)伏安實驗發(fā)現(xiàn)：CO，n-BuOH和膦配體的加入可以改變Pd配合物的氧化還原電位，且n-BuOH和膦配體對防止Pd(II)被深度還原至關(guān)重要。此外，在反應(yīng)條件下末端炔烴并不能直接經(jīng)電催化氧化過程活化C-H。
要點3. 機理研究-原位紅外
原位紅外實驗發(fā)現(xiàn)，不同攪拌速度(a)以及不同末端炔(b)和胺(c)濃度條件下反應(yīng)速率變化不大，說明該反應(yīng)條件下CO和底物擴散并非限制條件。此外，用氘代苯乙炔替代苯乙炔發(fā)現(xiàn)其動力學(xué)同位素效應(yīng)（kH/kD）僅為~1.21（二級同位素效應(yīng)），說明C-H解離并非決速步驟。與之相比，增加Pd催化劑濃度(d)或者陽極電極面積(e)都可以在一定程度上提高反應(yīng)速率，暗示反應(yīng)決速步與陽極氧化過程相關(guān)。
要點4. 機理研究-快掃XAS
在模擬反應(yīng)條件下（無電流，使用Pd(OAc)2而非PdCl2以增加溶解性），原位快速掃描XAS實驗發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系加入伯胺或者苯乙炔之后Pd的配位結(jié)構(gòu)都發(fā)生了明顯變化。進一步分析發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)條件下Pd形成了3×Pd–N/O (2.05?)和 1×Pd–P (2.30?)配位結(jié)構(gòu)。在無陽極電氧化條件下，伴隨末端炔烴的氧化氨基羰基化產(chǎn)物生成，Pd催化劑也發(fā)生了部分還原，形成了Pd-Pd金屬金屬鍵。
要點5. 催化機理
作者進一步合成了下圖中兩種可能存在的Pd配合物中間體：Pd-1,炔基Pd中間體；Pd-2，甲酰胺基Pd中間體。這兩種中間體都可以在室溫下問題保存數(shù)周，但Pd-1的形成嚴重依賴于CuI的加入，無CuI時Pd-1中間體很難形成。與之相比，Pd-2中間體加入苯乙炔之后可以很容易生成目標(biāo)產(chǎn)物，該結(jié)果暗示甲酰胺基中假體可以促進炔基配位Pd中間體的形成（C-H活化）。基于以上結(jié)果作者推測反應(yīng)機理為：氨基底物在CO插入作用下首先與Pd形成了甲酰胺基中間體（B），該中間體進一步與炔基反應(yīng)生成甲酰胺基與炔基共配位中間體C，然后中間體C進一步還原消除生成模板產(chǎn)物。所得還原態(tài)Pd進一步在陽極發(fā)生被氧化生成Pd(II)催化劑，且該陽極氧化過程為反應(yīng)決速步。
要點6. 底物拓展
該反應(yīng)體系可以拓展至含有不同吸電子/供電子基團的末端炔，以及多種伯胺或環(huán)狀仲胺底物。此外，進一步調(diào)整反應(yīng)條件甚至可以拓展至多種類型的銨鹽底物。
參考文獻：
Zeng, L., Li, H., Hu, J. et al. Electrochemical oxidative aminocarbonylation of terminal alkynes. Nat Catal (2020).
DOI：10.1038/s41929-020-0443-z
https://doi.org/10.1038/s41929-020-0443-z
