电催化，又一篇Nature！
催化计
2021-06-25
第一作者：Dylan E. Holst, Diana J. Wang氮杂环丙烷(Aziridines)作为一种含氮三元环结构分子，是非常重要的合成目标结构。氮杂环丙烷分子的环应力导致能够通过开环反应生成各种各样的有机胺，同时氮杂环丙烷结构本身在一些反应中具有抗肿瘤等重要生物活性。将烯烃转化为氮杂环丙烷是非常重要的合成方法，但是通常反应需要亲电型含氮试剂（广泛存在的亲核性有机胺无法兼容该反应）。有鉴于此，威斯康星大学-麦迪逊分校Zachary K. Wickens等报道将未活化的烯烃通过电化学转化为亚稳态双阳离子中间体，随后通过与一级有机胺在碱性溶液中合成氮杂环丙烷。该方法学拓展了合成N-烷基氮杂环丙烷的反应物种类，该方法学中将烯烃分子的氧化活化与氮杂环丙烷化步骤分离，兼容市售的氧化敏感有机胺。建立了烯烃双阳离子的双官能团化方法学基础。图1. 经典电催化合成氮杂环丙烷方法/新型电催化合成方法作者基于电化学能够实现清洁、高效、大规模将烯烃转化为反应性较高的双阳离子亲电试剂。目前已经有相关研究验证电化学能够替代化学氧化还原剂，因此以安全、环境友好的方式进行反应。但是目前的电催化合成氮杂环丙烷反应中对烯烃局限在电子富集苯乙烯衍生物、特定的亲核试剂。比如，在Yoshida阳离子池方法中，阳离子亲电试剂通过烃有机分子阳极氧化生成，但是该反应难以实现对烯烃进行阳极氧化随后进行官能团化。由于难以直接对烯烃进行阳极氧化，作者设计了阳极氧化介导分子的策略，该策略基于Shine等发现烯烃与二硫杂蒽阳离子形成加合物。近些年间，Ritter等报道二硫杂蒽-C(sp2)盐在合成中具有广泛的交叉偶联反应应用前景，但是通过电化学方法从烃类分子产生二硫杂蒽盐以及从二硫杂蒽盐生成C(sp3)产物的例子非常缺乏。作者验证发现通过电化学能够将未活化的烯烃、二硫杂蒽生成亲电加合物（1和2的混合物，混合比例1:2=3:1），通过X射线晶体学表征验证1和2的结构。出人意料的是，1和2的表现非常好的稳定性，对空气和水不敏感。随后将1和2与苯甲胺加入Cs2CO3碱生成氮杂环丙烷产物，相应产率达到86 %，同时加合物分子中的二硫杂蒽回到本身状态，很好的起到介导分子的作用，回收率达到98 %。通过以上实验验证，作者通过电化学活化一锅法二步反应，合成N-烷基化氮杂环丙烷。以直流电驱动电化学反应，以价格合理的碳电极，无需复杂电化学设备。反应兼容广泛的有机胺亲核分子，显著拓展了目前方法学的分子种类。有机胺兼容性。对含有立体位阻取代基的一级胺兼容，对含有烯烃/炔烃官能团的有机胺兼容，因此能够对烯烃/炔烃进一步官能团化修饰。而且该方法对底物中含有生物活性氮杂环结构、饱和氮杂环官能团的分子兼容，对竞争性乙醇胺、色胺、伯胺喹等N原子不反应。烯烃兼容性。当烯烃作为限定量原料分子，烯烃底物中的立体位阻效应不会显著影响氮杂环丙烷的产率，但是该反应无法兼容双取代基修饰的烯烃。氮杂环丙烷衍生化。将氮杂环丙烷进一步反应，能够转化生成邻胺基醇、氨基叠氮化物、医药相关苯乙胺衍生物，或者扩环生成恶唑啉酮。当反应通过电化学方法生成二硫杂蒽-烯烃阳离子加合物后，在第二步反应中将亲核试剂的量加大能够生成邻二胺结构；将亲核试剂替换为nBu4NBr、BnMe3NCl，生成邻二溴、邻二氯；将亲核试剂替换为KCN，生成丙烯腈。Holst, D.E., Wang, D.J., Kim, M.J. et al. Aziridines by coupling amines and alkenes via an electro-generated dication. Nature (2021).DOI: 10.1038/s41586-021-03717-7https://www.nature.com/articles/s41586-021-03717-7
