第一作者：Samer Gnaim
通訊作者：Phil S. Baran
通訊作者單位：Scripps研究所
主要內(nèi)容
電化學(xué)由于其與生俱來具有的可持續(xù)性品質(zhì)，在驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)中存在較大優(yōu)勢(shì)的一種方法。羰基化合物“脫氫”合成不飽和羰基化合物作為有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中尤為基礎(chǔ)的一類反應(yīng)，目前能夠?qū)崿F(xiàn)此類反應(yīng)的最有效方法基于Pd、Cu等過渡金屬催化或者化學(xué)計(jì)量比有機(jī)試劑（I、Br、Se、S等有機(jī)試劑）。此類方法學(xué)中存在一些缺點(diǎn)和問題，比如需要較高擔(dān)載量的催化劑、支持的底物種類有限、化學(xué)計(jì)量比的有機(jī)試劑反應(yīng)造成較大浪費(fèi)。
有鑒于此，Scripps研究所Phil S. Baran等報(bào)道了電催化方法用于羰基化合物脫氫合成不飽和羰基化合物的方法，電催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)能夠兼容廣泛的底物種類，可以方便的實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。通過底物的NMR相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠預(yù)測(cè)反應(yīng)發(fā)生的位點(diǎn)，與現(xiàn)有的方法相比，展示了更加廣闊的底物兼容性。
圖1. 電催化羰基化合物脫氫反應(yīng)
背景
羰基有機(jī)化合物脫氫反應(yīng)是一類最為簡(jiǎn)單的有機(jī)氧化反應(yīng)，受到廣泛應(yīng)用。經(jīng)典羰基化合物脫氫方法學(xué)通過鹵化物、硫化物、硒化物進(jìn)行氧化。其中將酮轉(zhuǎn)化為烯酮受到廣泛關(guān)注，1978年發(fā)展的Saegusa-Ito反應(yīng)是經(jīng)常使用的一種方法，但是該方法中需要消耗化學(xué)計(jì)量比的鈀（0.5~1倍當(dāng)量），生成α,β-不飽和羰基化合物。隨后，人們發(fā)展了一些替代性氧化劑方法，比如O2、醌、銅有機(jī)分子作為助氧化劑。此外，人們發(fā)展了基于單電子轉(zhuǎn)移過程的高價(jià)碘試劑，無需貴金屬，但是仍需要化學(xué)計(jì)量比碘試劑。
近期，發(fā)展了使用催化量鈀、銅能夠進(jìn)行該催化反應(yīng)，而且底物種類和兼容性改善，能夠?qū)﹄妗Ⅴァ?nèi)酯和內(nèi)酰胺進(jìn)行反應(yīng)，而且不用將底物轉(zhuǎn)化為烯醇酯。此類方法的機(jī)理基于兩電子氧化過程，因此作者認(rèn)為通過改進(jìn)，能夠通過電催化反應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)該過程。通過電催化反應(yīng)，能夠避免金屬、有機(jī)分子氧化劑的使用，對(duì)于可持續(xù)發(fā)展而言非常有利。
反應(yīng)方法學(xué)
圖2. 反應(yīng)實(shí)施
圖3. 反應(yīng)優(yōu)化
以環(huán)十二酮衍生物分子四甲基硅烷TMS保護(hù)烯醇酯作為反應(yīng)物，在0.1 M NaSbF6電解質(zhì)MeCN/三甲基吡啶混合溶劑中進(jìn)行電催化，Ar氣氛保護(hù)和無隔膜電解池中，室溫條件中進(jìn)行，電極使用價(jià)格合理的石墨電極即可。溶劑篩選結(jié)果顯示，MeCN、丙酮、DMA、DMF都能夠生成產(chǎn)物，其中選擇MeCN能夠得到更高的產(chǎn)率。電解質(zhì)篩選結(jié)果顯示，NaSbF6、LiClO4、TBABF4、NaOTs都能夠作為電解質(zhì)，其中NaSbF6的效果最好。對(duì)照控制性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)反應(yīng)中MeCN未除水處理，或者在空氣氣氛中進(jìn)行，產(chǎn)率稍有降低。當(dāng)反應(yīng)中不加入三甲基吡啶，或者不加入NaSbF6，不通電，反應(yīng)無法進(jìn)行。
底物拓展
圖4. 底物拓展
反應(yīng)對(duì)環(huán)狀、非環(huán)狀底物都能夠兼容，對(duì)底物中的α，β，γ位點(diǎn)含有取代基的分子，雜原子、炔烴、環(huán)丙烷基團(tuán)、酯/環(huán)狀內(nèi)酯、叔丁基（二甲基）硅保護(hù)基、酸性條件中不穩(wěn)定的縮酮等底物兼容。官能團(tuán)兼容性顯示，反應(yīng)對(duì)鹵化物、CF3、可能發(fā)生氧化的苯甲醚、Ts保護(hù)的氨基、烯烴等官能團(tuán)都表現(xiàn)兼容。在位阻效應(yīng)較高的α-芳基內(nèi)酯底物中，同樣表現(xiàn)了反應(yīng)活性。
機(jī)理
圖5. 反應(yīng)機(jī)理
電催化反應(yīng)主要包括三個(gè)步驟：首先在陽(yáng)極上原料分子發(fā)生電化學(xué)氧化，生成陽(yáng)離子自由基中間體；隨后陽(yáng)離子自由基中間體通過和三甲基吡啶之間進(jìn)行脫質(zhì)子化反應(yīng)，中間體的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移到三甲基吡啶上，生成三甲基吡啶氫陽(yáng)離子。同時(shí)中間體烯烴α-位點(diǎn)形成烯丙基自由基物種；烯丙基自由基異構(gòu)，同時(shí)進(jìn)一步對(duì)TMS氧進(jìn)行陽(yáng)極氧化，生成不穩(wěn)定氧鎓結(jié)構(gòu)，最終轉(zhuǎn)化為烯酮產(chǎn)物。
圖6. 底物反應(yīng)性預(yù)測(cè)
此外，作者發(fā)現(xiàn)，通過量子化學(xué)計(jì)算，對(duì)反應(yīng)底物能否兼容到該反應(yīng)中進(jìn)行預(yù)測(cè)。
參考文獻(xiàn)：
Gnaim, S., Takahira, Y., Wilke, H.R. et al. Electrochemically driven desaturation of carbonyl compounds. Nat. Chem. (2021)
DOI: 10.1038/s41557-021-00640-2
https://www.nature.com/articles/s41557-021-00640-2
