第一作者：Yiming Mo, Zhaohong Lu
通訊作者：Klavs F. Jensen, Stephen L. Buchwald
通訊單位：麻省理工學院
研究要點：
1.通過電化學微流反應器快速高效進行多種電化學有機反應。
2. 對多種單電子（自由基）催化反應有較好的反應性。
3. 該反應具有方便大量合成、價格低廉、環境友好；和光催化方法相比，這種方法無需使用貴金屬催化劑或復雜有機染料分子。
研究背景
在過去的一些年間，有機化學領域中的可見光催化得到了廣泛關注和發展，但是可見光催化中通常需要貴金屬基配合物或者復雜的有機分子染料，其中的缺點是顯而易見的：還原電極電勢是確定的，對價格高昂，對強親電性、親核性、高反應性的自由基反應物無法兼容；反應后需要去除去光催化劑得到反應產物。
與之相比，電化學合成方法是一種環境友好，價格低廉，易于放大量反應。因此，將通過光進行的單電子反應過程通過調節反應過程，使其通過電催化方法進行，有較大的實際意義。
針對自由基容易淬滅的特點優化微流電化學反應器的結構，開發綠色環境友好的電催化反應平臺。
有鑒于此，麻省理工學院Klavs F. Jensen, Stephen L. Buchwald等報道了通過優化電化學有機單原子合成反應平臺（μRN-eChem），有效的實現了自由基交叉偶聯、Minisci反應、Ni催化C(sp2)-O交叉偶聯反應等多種單電子電化學反應。與此同時，江蘇師范大學90后副教授劉建全等人對此發表PERSPECTIVE展望文章。
該微流反應器中分別在陽極、陰極上反應生成反應中間體物種，并通過在微流反應器中產生的中間體快速擴散進行反應，通過快速的擴散和進行反應抑制了中間體的分解。
圖1. 單電子電催化反應/微流電化學反應器設計Scheme
要點1. 反應實施
微流反應器優化。通過玻碳作為電極，通過532 nm激光構建不同電極距離（25~500 μm）的流動相反應器。作者通過4,4'-聯苯二甲腈自由基（BPDN）作為模型分子，測試了與正己酸、苯甲酰基甲基乙酸之間的反應效果隨著不同電極距離變化情況，對微反應器的結構進行優化。結果顯示當電極具體增加，產率明顯降低。作者發現當電極距離為25 μm時，偶聯反應的效果較好。
要點2. 反應底物、反應類型拓展
脫羧偶聯反應底物拓展。在25 μm的流動相電反應器優化反應情況，發現當使用Bu4NOH作為堿，MeCN作為溶劑，以6倍羧酸作為反應物，有較好的反應性。作者發現，這種微流動相反應器能對脂肪酸有較好的兼容性（在光反應條件中，其烷基自由基能量較高，通常難以兼容），對苯丙酸、3-庚基甲酸、環戊基甲酸、Boc-N雜環己基甲酸等脂肪酸以49~66 %的產率進行偶聯反應。芐基羧酸、萘普生（Naproxen）等分別以65 %和73 %進行反應。苯甲酰基修飾的α-氨基酸作為反應物，在本反應器中同樣能夠實現制備芐基酰胺（產率~70 %）。
反應類型拓展。除了對硼酸作為偶聯反應劑的偶聯反應，該電催化策略同樣在對二氰基苯和有機芳胺、烷基硼氟酸的偶聯反應。該微流反應器對其他種類的催化反應同樣兼容，作者測試了硫醇催化的烯丙基芳基化反應，Minisci加成反應，Ni催化C-O交叉偶聯反應，發現都能夠很好的進行。圖3. 反應類型拓展：α-胺基位點C-H/芳基化、硼氟酸脫硼芳基化、硅硫醇催化烯丙基C-H/芳基化、Minisci加成、Ni催化C(sp2)-O交叉偶聯反應
作者通過電化學微流反應器平臺進行克級放大實驗測試。測試了一種液晶重要材料4-氰基-4’-戊基聯苯的兩步克級電催化合成反應，結果顯示通過以低于對價格＜$1/g的氰基氯苯作為反應物，通過Ni催化脫氯偶聯反應生成4, 4’-二氰基聯苯；4, 4’-二氰基聯苯和正己酸四丁基銨在40 ℃中3.3 V進行電催化反應，得到了價格~$100/g 4-氰基-4’-戊基聯苯。Klavs F. Jensen教授一直致力于微型反應器的發展和應用，并且在2016年在Science報道了一種“電冰箱”大小的藥物合成平臺，功能強大，能夠快速的合成多種藥物分子（Benadryl、lidocaine、Valium和Prozac），由于其具有較大的實際應用價值，受到了包括美國政府、藥企的廣泛關注。圖5. 前期工作（電冰箱大小的藥物合成工廠）. On-demand continuous-flow production ofpharmaceuticals in a compact， reconfigurablesystem. Science 2016, 352, 61-67 DOI：10.1126/science.aaf1337
Yiming Mo, Zhaohong Lu, Girish Rughoobur, Prashant Patil, NeilGershenfeld, Akintunde I. Akinwande, Stephen L. Buchwald*, Klavs F. Jensen*. Microfluidic electrochemistry for single-electron transfer redox-neutralreactions, Science 2020DOI：10.1126/science.aba3823https://science.sciencemag.org/content/368/6497/1352.fullKlavs F. Jensen教授，美國麻省理工學院化工系教授和材料科學與工程系教授，美國科學院和工程院兩院院士，微反應器技術領域主要學術帶頭人。Jensen教授的興趣廣泛，研究領域覆蓋了半導體過程，新藥開發，生物技術，醫療技術，光學和化工能源應用技術等。研究組主頁：http://jensenlab.mit.edu/Buchwald 教授是美國藝術與科學院院士和美國國家科學院院士，致力于金屬有機化學領域的碳-碳鍵形成反應、碳-雜原子鍵形成過程、新配體的設計和應用等方向的研究，并在有機化學領域獲得大量榮譽。研究組主頁：http://chemistry-buchwald.mit.edu/
