【有机】交流电合成克服反应电位对官能团兼容性的限制- 大数跨境

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2023-10-15

导读：罗龙团队（美国韦恩州立大学化学系）通过交流电解的方法克服了电位窗口对官能团兼容性的限制。

药物分子中常含有各种不稳定的官能团，例如呋喃、吡咯、醌和硫醚，非常容易受到反应环境的影响。在标准的有机电合成条件下，氧化还原电位窗口本质上限制了其官能团兼容性，落入电位窗口的官能团通常不可避免地会发生氧化还原转化，从而降低产率。近日，罗龙团队（美国韦恩州立大学化学系）通过交流电解的方法克服了电位窗口对官能团兼容性的限制。

图1. 交流电有机合成对烯烃的官能团化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

罗龙团队以烯烃的官能团化为模版，设计并演示了一系列交流电驱动的反应。这些反应在阴阳两极的脉冲下依次给烯烃添上氯/溴和三氟甲基/氯磺酰基官能团。以4-苯基丁烯的氯三氟甲基化为代表，作者详细考察了交流电波形和频率，催化剂和添加剂的添加与否，最终确立了反应的最佳条件：在氩气保护下，乙腈为溶剂，Mn(OTf)₂和三乙胺分别为催化剂和添加剂，并根据循环伏安测试确定最佳反应频率。在此条件下，作者对含硫和氮的烯烃、呋喃和苯乙烯的衍生物、非共轭末端烯烃、内部的和1,1-二取代的烯烃以及药物衍生物烯烃等一系列反应进行了研究，均顺利将其转化为相应的产物且获得良好的产率。该反应具有良好的官能团兼容性和底物普适性，该方法学具有广泛的应用前景。

图2. 反应官能团耐受性研究。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

通过一系列机理研究，作者发现在该反应中三氟甲磺酰氯首先被还原生成CF₃自由基，添加物三乙胺可与CF₃SO₂Cl反应并释放Cl^-，然后Cl^-离子通过Mn催化剂被氧化。该过程所产生的CF₃自由基和氯化Mn催化剂依次与烯烃发生反应从而得到所需的氯三氟甲基化的产物。作者通过循环伏安研究证实，产物的产率受到氧化还原过程中反应物再生程度的限制。交流电驱动的烯烃官能团化反应之所以有更好的底物兼容性，是因为底物的活性官能团在电位交替的氧化还原环境下是可逆的。在此理论基础上，作者成功预测了不同交流电频率对产率的影响。

图3. 交流电有机合成机理研究。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

小结

官能团的耐受性是评估有机合成方案可行性的重要因素。电化学有机合成的官能团兼容性通常容易受到其反应电位的限制。罗龙团队发现在交流电电解所营造的振荡氧化还原环境可以使反应过程中被氧化或还原的官能团得以再生。因此，即使是对于落在电位窗口内的不稳定的官能团（例如吡咯、醌和芳基硫醚），交流电可以提高官能团的耐受度并获得不错的产率。他们的研究结果为改善电合成中官能团兼容性开辟了一条新途径，并展示了根据伏安图特征预测交流电电解下产物产率的可能性。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是韦恩州立大学的博士研究生Sachini Rodrigo。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Overcoming the Potential Window-Limited Functional Group Compatibility by Alternating Current Electrolysis

Sachini Rodrigo, Atanu Hazra, Jyoti P. Mahajan, Hien M. Nguyen*, and Long Luo*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 21851–21859, DOI: 10.1021/jacs.3c05802

罗龙博士简介

罗龙博上现任韦恩州立大学化学系the Carl R. Johnson 冠名助理教授，博上生导师。2009年本科毕业于北京航空天大学应用化学系，2014年获得犹他大学化学博土学位 (导师: Henry White 教授)。2014-2017年，进入德克萨斯大学奥丁分校进行博后研究 (导师: Richard Crooks 教授)。2017年加入韦恩州立大学化学系后,获得多种奖顶包括 NSF CAREER Award, NIH MIRA Award, the Sloan research fellowship, Wayne State University Academy of Scholars Junior Faculty ward, 被Chem. Commun., Nanoscale, Anal. Bioanal. Chem.选为Emerging investigator 并为Langmuir 首国年编委会成员之一。2022 成为首位Carl R. Johnson 冠名教授，罗龙博上主要从事电化学交叉域的研究，包括研发电/化学/气体传感器，催化材料和有机合成方法，以及光催化。以第一作者或通讯作者身份,在Nat. Commun., JACS, Adv. Funct. Mater., Anal. Chem.等杂志发表论文50余篇，Nature Catalysis, Nature Synthesis, Nature Communications, Joule, J. Am. Chem. Soc., Angewandte Chemie, ACS Nano, Innovation, Nano Letters等40多个国际期刊审稿人。

罗龙团队

https://s.wayne.edu/luogroup/

https://www.x-mol.com/university/faculty/215018