这篇Nature Chemistry，剑指电催化！

催化计

2021-04-23

第一作者：Samer Gnaim

通讯作者：Phil S. Baran

通讯作者单位：Scripps研究所

主要内容

电化学由于其与生俱来具有的可持续性品质，在驱动氧化还原反应中存在较大优势的一种方法。羰基化合物“脱氢”合成不饱和羰基化合物作为有机化学反应中尤为基础的一类反应，目前能够实现此类反应的最有效方法基于Pd、Cu等过渡金属催化或者化学计量比有机试剂（I、Br、Se、S等有机试剂）。此类方法学中存在一些缺点和问题，比如需要较高担载量的催化剂、支持的底物种类有限、化学计量比的有机试剂反应造成较大浪费。

有鉴于此，Scripps研究所Phil S. Baran等报道了电催化方法用于羰基化合物脱氢合成不饱和羰基化合物的方法，电催化转化反应能够兼容广泛的底物种类，可以方便的实现规模化。通过底物的NMR相关数据，能够预测反应发生的位点，与现有的方法相比，展示了更加广阔的底物兼容性。

图1. 电催化羰基化合物脱氢反应

背景

羰基有机化合物脱氢反应是一类最为简单的有机氧化反应，受到广泛应用。经典羰基化合物脱氢方法学通过卤化物、硫化物、硒化物进行氧化。其中将酮转化为烯酮受到广泛关注，1978年发展的Saegusa-Ito反应是经常使用的一种方法，但是该方法中需要消耗化学计量比的钯（0.5~1倍当量），生成α,β-不饱和羰基化合物。随后，人们发展了一些替代性氧化剂方法，比如O₂、醌、铜有机分子作为助氧化剂。此外，人们发展了基于单电子转移过程的高价碘试剂，无需贵金属，但是仍需要化学计量比碘试剂。

近期，发展了使用催化量钯、铜能够进行该催化反应，而且底物种类和兼容性改善，能够对腈、酯、内酯和内酰胺进行反应，而且不用将底物转化为烯醇酯。此类方法的机理基于两电子氧化过程，因此作者认为通过改进，能够通过电催化反应过程实现该过程。通过电催化反应，能够避免金属、有机分子氧化剂的使用，对于可持续发展而言非常有利。

反应方法学

图2. 反应实施

图3. 反应优化

以环十二酮衍生物分子四甲基硅烷TMS保护烯醇酯作为反应物，在0.1 M NaSbF₆电解质MeCN/三甲基吡啶混合溶剂中进行电催化，Ar气氛保护和无隔膜电解池中，室温条件中进行，电极使用价格合理的石墨电极即可。溶剂筛选结果显示，MeCN、丙酮、DMA、DMF都能够生成产物，其中选择MeCN能够得到更高的产率。电解质筛选结果显示，NaSbF₆、LiClO₄、TBABF₄、NaOTs都能够作为电解质，其中NaSbF₆的效果最好。对照控制性实验结果显示，当反应中MeCN未除水处理，或者在空气气氛中进行，产率稍有降低。当反应中不加入三甲基吡啶，或者不加入NaSbF₆，不通电，反应无法进行。

底物拓展

图4. 底物拓展

反应对环状、非环状底物都能够兼容，对底物中的α，β，γ位点含有取代基的分子，杂原子、炔烃、环丙烷基团、酯/环状内酯、叔丁基（二甲基）硅保护基、酸性条件中不稳定的缩酮等底物兼容。官能团兼容性显示，反应对卤化物、CF₃、可能发生氧化的苯甲醚、Ts保护的氨基、烯烃等官能团都表现兼容。在位阻效应较高的α-芳基内酯底物中，同样表现了反应活性。

机理

图5. 反应机理

电催化反应主要包括三个步骤：首先在阳极上原料分子发生电化学氧化，生成阳离子自由基中间体；随后阳离子自由基中间体通过和三甲基吡啶之间进行脱质子化反应，中间体的一个质子转移到三甲基吡啶上，生成三甲基吡啶氢阳离子。同时中间体烯烃α-位点形成烯丙基自由基物种；烯丙基自由基异构，同时进一步对TMS氧进行阳极氧化，生成不稳定氧鎓结构，最终转化为烯酮产物。

图6. 底物反应性预测

此外，作者发现，通过量子化学计算，对反应底物能否兼容到该反应中进行预测。

参考文献：

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