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「国家杰青」雷爱文领衔!武汉大学易红/张恒JACS | 铜催化β-酮羰基化合物与烯烃/炔烃的碳-氧偶联反应!

「国家杰青」雷爱文领衔!武汉大学易红/张恒JACS | 铜催化β-酮羰基化合物与烯烃/炔烃的碳-氧偶联反应! 微算云平台
2026-02-06
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导读:文献速递
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交流电(AC)电解提供了一个具有可调频率、占空比和波形的动态电场,这些特性最近在有机电合成中展现了独特的优势。
2026年2月4日,武汉大学雷爱文、易红、张恒、Li Zeng在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society发表题为《Waveform-Enhanced Alternating Current Electrocatalysis Enables Cu-Catalyzed Carbon–Oxygenation of β-Keto Carbonyls with Alkenes and Alkynes》的研究论文,Qinghong Yang、Linpu Zhou为论文共同第一作者,雷爱文、易红、张恒、Li Zeng为论文共同通讯作者。
在本文中,作者引入了一种由非对称交流电波形驱动的铜催化的氧化策略,该策略利用易得的β-酮羰基化合物、烯烃或炔烃,通过分子内和分子间的碳-氧偶联反应,高效构建有价值的5, 5-螺环和E型烯烃骨架。
在两种不同的波形下,反应分别通过铜结合的自由基路径和亲核加成路径顺利进行。电子顺磁共振(EPR)研究表明,非对称交流电波形在其各自的反应环境中维持了铜中间体的高浓度动态平衡。这些发现拓宽了交流电合成的应用范围,并阐明了如何利用波形设计来引导具有挑战性的成键级联反应中的反应性。
过去十年,合成电化学作为一种绿色和可持续的有机合成策略蓬勃发展。直流电(DC)主导了该领域,为自由基化学、过渡金属催化和不对称合成等广泛的反应提供了动力。在典型的应用中,直流电通过调节电流或电位来驱动反应,在静态的、单向的氧化还原环境中控制反应速率和选择性。相比之下,交流电(AC)通过可调的参数(如频率、占空比和波形)对界面电子转移提供动态控制。这种扩展的参数空间为精确调控反应路径和选择性提供了独特的机会,超越了直流电条件下的可及范围。近期的研究越来越多地强调了交流电在有机电合成中的独特优势。
作者引入了波形增强调控作为一种通用的金属催化策略。通过连续调节金属中心的氧化态,定制的交流电波形可以维持关键催化中间体的高浓度动态平衡,从而显著提高催化效率。例如,作者披露了两种不同的交流电波形,其非对称的电流和占空比分别改善了铜催化的C–H炔基化和Z型双官能团化的反应性和选择性。这些交流电驱动的铜催化路径涉及自由基接力和不饱和键插入过程。然而,将波形增强的交流电催化扩展到其他反应模式和更复杂的分子结构仍然是一个重大挑战。
本研究将另外两种非对称交流电波形应用于拓展铜催化的反应路径,这些路径涉及自由基加成和亲核加成过程,而这两种过程在过渡金属催化中非常重要且被广泛认可。在定制的波形下,成功实现了铜催化的β-酮羰基化合物的氧化(3+2)环化和E型双官能团化反应。电子顺磁共振(EPR)研究表明,定制的波形在催化循环中维持了高浓度的活性铜中间体的动态平衡,从而显著增强了反应性。该研究将交流电合成的应用范围扩展到了更多类型的反应路径,并从简单易得的原料出发,提供了原子和步骤经济的途径来获取复杂骨架。
图1:波形增强的交流电驱动铜催化的分子内与分子间碳-氧偶联反应。(a)直流电合成;(b)交流电合成及其多种波形;(c)交流电驱动的过渡金属催化C–H官能团化;(d)四种不同的铜催化路径;(e)波形增强的交流电催化实现铜催化的β-酮羰基化合物与烯烃和炔烃的碳-氧偶联。
图2:反应优化。(a)交流电参数对β-酮酰胺与烯烃(3+2)环化反应的影响;(b)不同交流电条件下Cu²⁺物种在3225 G处的原位电子顺磁共振(EPR)信号变化;(c)交流电参数对β-酮酯与炔烃E型双官能团化反应的影响;(d)不同交流电条件下Cu²⁺物种在3194 G处的非原位EPR信号变化。
图3:β-酮酰胺与烯烃的(3+2)环化反应。(a)底物适用范围;(b)交流电与直流电条件下产物收率及溶液中铜浓度的电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)对比;(c)自由基捕获实验;(d)DMPO-1a自由基的EPR结果;(e)以玻碳盘为工作电极的循环伏安(CV)测试;(f)对照实验与恒定氧化电位的交流电电解实验;(g)提出的反应机理。
图4:β-酮酯与炔烃的E型双官能团化反应。(a)底物适用范围;(b)交流电与直流电条件下产物收率及溶液中铜浓度的ICP-OES对比;(c)2a与Cu(OTf)₂、NEt₃和L1在MeCN/HOAc中预混后的EPR测试;(d)以玻碳盘为工作电极,对2a、L1、NEt₃和Cu(MeCN)₄BF₄在MeCN/HOAc中的氧化还原电位进行的CV测试;(e)对照实验与恒定氧化电位的交流电电解实验;(f)提出的反应机理。
综上,作者提出了一种“波形增强的交流电催化”新策略,通过精确设计非对称交流电波形,成功实现了铜催化的β-酮羰基化合物与烯烃/炔烃的碳-氧偶联反应。该策略利用两种定制波形,分别导向自由基加成和亲核加成两条截然不同的反应路径,高效构建了高价值的5,5-螺环和E型烯烃骨架,并通过电子顺磁共振(EPR)等手段证实,特定波形能有效维持高浓度活性铜中间体的动态平衡。
本研究不仅突破了传统直流电合成在复杂级联反应中的局限性,为有机电合成提供了全新的“波形设计”这一关键调控维度,而且实现了从简单易得原料出发的原子和步骤经济性转化。其成果为开发新型绿色、高效的催化体系开辟了新途径,在药物分子、功能材料等复杂有机分子的精准合成领域具有广阔的应用前景。
Waveform-Enhanced Alternating Current Electrocatalysis Enables Cu-Catalyzed Carbon-Oxygenation of β-Keto Carbonyls with Alkenes and Alkynes. J. Am. Chem. Soc.2026. https://doi.org/10.1021/jacs.5c19029.
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