Shannon S. Stahl，美國威斯康星大學麥迪遜分校化學系教授，Steenbock Professor of Chemical Sciences，1992年本科畢業于伊利諾伊大學香檳分校（UIUC），1997年博士畢業于美國加州理工大學（導師John E. Bercaw院士），畢業后以博士后身份于麻省理工大學師從著名生物無機化學家Stephen J. Lippard院士。Shannon Stahl教授的研究興趣在于有機金屬化學，有機及無機化學的合成及機理研究。Shannon Stahl教授主要的研究方向包括有氧氧化反應，用于藥物合成的C-H氧化方法，電化學有機合成，生物質材料的升級轉化，以及用于能量轉換的電催化和電合成方法。Shannon Stahl教授目前是美國國家科學院院士，美國科學與藝術學院院士（American Academy of Arts&Sciences member），并且獲得了Mitsui Chemicals Catalysis Science Award、Presidential Green Chemistry Challenge Award、ACS Arthur C. Cope Scholar Award、ACS Catalysis Lectureship Award for the Advancement of Catalytic Science、Kellett Mid-Career Award (UW-Madison)、Alfred P. Sloan Research Fellowship和NSF CAREER Award等多項殊榮。Zn和Mn是Ni催化交叉親電偶聯（XEC）反應中廣泛使用的還原劑，但是人們對于Zn和Mn在有機溶劑中的還原電勢并不清楚。有鑒于此，威斯康星大學麥迪遜分校Shannon S. Stahl教授等報道通過開路電壓測試方法測試Zn和Mn的還原電勢，實現了在有機添加劑存在情況下，在不同有機溶劑中測試Zn和Mn的還原電勢。通過對一些Ni催化的反應進行測試，說明Zn和Mn的電極電勢對于Ni催化反應的影響，并且發現反應能夠對一到兩個還原劑的優勢。研究Ni催化N-烷基-2,4,6-三芳基吡啶（Katritzky鹽）和芳基鹵化物之間的親電交叉偶聯反應，在對應于Zn和Mn的還原電勢進行電化學測試，并且比較使用Zn或Mn的不同電化學反應情況，優化電化學電勢得到最大的產量。這些研究結果說明還原電極電勢對于Ni催化XEC親電交叉偶聯反應的重要作用。
Zn和Mn的電化學電勢
圖2. Mn或Zn的熱力學勢（Formal thermodynamic potentials）
分別在不通電流或者外部電壓的情況測試開路電壓（OCP）。隨后通過在各種Ni催化反應的不同條件下，測試Zn和Mn相比于Ag/AgNO3參比電極，開始電催化Ni親電交叉偶聯反應的研究。搭建了三電極體系能夠明確表征Fc/Fc+氧化還原電勢，并且分別對8個Ni催化交叉偶聯反應常用的溶劑分別測試（DMF、DMA、NMP、DMPU（N,N′-二甲基烯脲）、DMI（1,3-二甲基-2-咪唑啉酮）、DMSO、MeCN、THF），研究溶劑對于Zn和Mn的還原電極電位的影響。測試的時候向溶液中加入Zn2+或Mn2+確保能夠發生氧化還原反應（M?Mn2++2e-）。將不同溶劑中測試的開路電壓測試轉變為對Fc/Fc+(E0′)熱力學電勢。此外，同樣測試[Ni(bpy)3]Cl2在不同溶劑中的氧化還原電勢。測試結果顯示Zn或Mn在酰胺或脲溶劑中的變化微弱（DMF、DMA、NMP、DMPU、DMI），Zn的變化區間≤50 mV，Mn的變化區間≤80 mV。Mn在DMSO或者THF溶劑中的電極電勢與酰胺溶劑類似，Zn在DMSO溶劑中的電極電勢偏負，在THF溶劑中的電極電勢相比于酰胺溶劑偏正。 在MeCN溶劑中，Zn和Mn的電極電勢發生顯著的改變，比DMSO或酰胺溶劑中的電勢提高260-370mV。Zn和Mn的氧化還原電勢高于[Ni(bpy)3]Cl2，而且Zn產生的電極電勢差異（≤270mV）比Mn（≤90mV）產生的電極電勢差異更加明顯。MeCN溶劑中的獨特電極電勢變化對于Ni催化交叉偶聯反應具有影響。Zn和Mn在MeCN溶劑中的還原電勢比較高的現象能夠解釋為什么Ni的親電交叉偶聯反應很少在MeCN溶劑中發生。比如相關報道中，芐基氯和碘苯的交叉偶聯反應能夠使用Zn還原劑在DMA溶劑中得到82%的二苯甲烷，但是在MeCN溶劑中的產物產率僅有15%。作者認為在MeCN溶劑中交叉偶聯反應困難的原因是MeCN溶劑中Zn還原反應難以發生，并且在恒定電勢條件下分別測試DMA和MeCN溶劑中的反應情況驗證了這個觀點。這個研究結果說明溶劑影響金屬的還原電勢對于Ni催化交叉偶聯反應結果的重要影響作用。
如何在Ni催化XEC反應中選擇Zn或Mn還原劑
圖3.測試Zn和Mn的氧化還原電勢與Ni催化XEC的關系在Ni催化XEC反應中對Zn和Mn還原劑的選擇是會改變的。通過氧化還原電勢的測試，能夠解釋還原劑選擇性發生改變的原因。比如在烯基乙酸酯和烷基溴的交叉偶聯反應需要使用Zn作為還原劑，而不是Mn。該反應的機理為NiII還原為NiI，隨后烯基乙酸酯配位發生氧化加成，生成烯基-NiIII。隨后發生單電子還原反應生成烯基-NiII，并且與烷基自由基反應生成目標產物。芐基醇和芳基三氟甲磺酸鹽之間的交叉偶聯反應，需要使用草酸二甲酯將醇轉化，隨后通過Mn作為還原劑進行Ni催化交叉偶聯。該反應過程首先NiII還原為Ni0，隨后Ni0與芐基草酸鹽加成，生成芐基-NiII物種，隨后單電子還原生成芐基-NiI，隨后對芳基三氟甲磺酸酯氧化加成生成目標產物。通過電化學循環伏安法（CV）測試DMA和DMF溶劑中Ni催化劑的變化情況。分別在體系含有烯基乙酸酯或芐基草酸酯存在的情況進行測試。發現當加入Zn還原劑，Zn能夠將NiII還原為NiI，但是不會生成Ni0。但是，Mn的還原電位與NiI/0非常接近，能夠生成Ni0，因此Mn除了能夠生成目標產物，也能夠生成烷基-烷基偶聯/烯基-烯基偶聯的自偶聯副反應產物。在芐基醇和芳基三氟甲磺酸酯的偶聯反應中進行類似測試，發現Mn能夠作為合適的還原劑，這是因為Mn在這個反應中需要生成低電位的Ni物種匹配（這個現象與烯基乙酸酯或芐基草酸酯的反應情況不同）。這些研究結果說明金屬還原劑在不同有機試劑中的氧化還原電勢是如何影響Ni催化交叉偶聯反應。 Zn和Mn在許多還原性交叉偶聯反應中是非常有效的還原劑，但是Zn和Mn的氧化還原電勢對于每個反應并不都是最合適的。但是電化學電勢能夠在比較寬的電化學窗口調節。這項文獻的開路電壓測試實驗能夠直接在實驗中比較Ni催化交叉偶聯反應，并且與其他電化學反應進行比較。由于N-烷基-2,4,6-三苯基吡啶試劑（Katritzky鹽）在Ni催化交叉偶聯反應中，隨著加入不同氧化還原電位的均相有機還原劑，表現了變化的反應性能。作者選擇含有不同烷基取代基的兩個Katritzky鹽，6個不同的芳基溴化物，進行Ni催化交叉偶聯反應。每個反應分別測試了4個反應條件：使用Zn粉末或Mn粉末作為還原劑，在熱化學反應條件測試；分別在對應于Zn(-1.31V)或Mn(-1.55V)的電勢下，進行電化學反應條件測試。之后，在優化的電極電勢測試每個反應的情況。比較了熱催化反應和電化學反應的區別。1a反應物在對應于Zn的還原電勢（-1.31V）的熱催化偶聯反應結果72%的產率，電化學反應生成62%的產率。當使用Mn作為還原劑，收率顯著降低，熱催化和電化學還原（-1.55V）的收率分別為27%和0%。需要注意的是，對電化學和熱化學進行比較有可能受到許多因素的影響，包括溶解物質的傳質區別（分散的金屬顆粒vs固體電極），氧化還原活性表面積的區別（金屬粉末vs金屬電極），這些都有可能影響反應的產物和產率。此外，反應物的組成隨著反應的發生而改變，并且產生的金屬鹽能夠改變氧化還原反應的平衡。 雖然受到這些復雜因素的影響，但是實驗結果顯示熱催化反應和電化學還原反應得到非常好的定量結果。實驗結果顯示，在熱化學反應條件下，2a-e基本上沒有發現任何產物生成，但是在電化學條件下能夠得到適中或者較高的產率。進一步分析的結果顯示溶解的ZnII能夠將芳基溴轉化為脫鹵的副反應產物。分別在不同的電勢下測試每個反應。結果顯示在非Zn或Mn的還原電勢下，電化學反應都得到更高的產率。其中，對于使用1°katritzky鹽（1）作為反應物，只有1a在高于EZn的電化學反應產生最好的反應，有四個反應（1b, 1c, 1e, 1f）最好的產率都處于EZn和EMn的電勢區間內。使用2° Katritzky鹽（2）作為反應物，有三個反應產物（2a, 2e, 2f）比高于EZn的電勢內得到最高的產物產率，另外三個反應產物（2b, 2c, 2d）在EZn和EMn之間得到最好的產物產率。這個研究結果對于Ni催化XEC反應有著非常重要的意義。比如這些反應的大規模化需要使用化學還原劑，這面臨著克服金屬粉末試劑或者空氣敏感有機反應物的難題。根據研究的結果說明化學試劑的氧化還原限制了反應性能的優化。這些困難有可能通過電化學提供電子的方式解決。 圖4.烷基Katritzky鹽與芳基溴的XEC反應Su, ZM., Deng, R. & Stahl, S.S. Zinc and manganese redox potentials in organic solvents and their influence on nickel-catalysed cross-electrophile coupling. Nat. Chem. (2024)DOI: 10.1038/s41557-024-01627-5https://www.nature.com/articles/s41557-024-01627-5
