1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 研之成理

北京大学莫凡洋教授:电化学桑德迈尔反应

本文设想通过调节电流来控制芳基自由基产生的速率,从而避免自由基发生副反应。同时选择活性适宜的卤化试剂来快速截断新生的芳基自由基,这是电化学过程实现的桑德迈尔反应的关键。

前言:

今天非常荣幸邀请到北京大学莫凡洋教授课题组对他们最新发表在Chemical Science上的文章进行解读, 本文由论文作者孙北奇撰稿,内容非常详实,相信一定对大家有所帮助,在此感谢莫凡洋教授和孙北奇博士的大力支持和无私分享!

北京大学莫凡洋教授:电化学桑德迈尔反应

DOI: 10.1039/C8SC03346C

第一作者:刘谦益

通讯作者:莫凡洋特聘研究员

单位:北京大学工学院

1. 研究背景

A.桑德迈尔反应介绍

桑德迈尔(Sandmeyer)反应是通过重氮盐将芳香胺转化为芳香卤化物的基本重要方法,反应在1884年由瑞士化学家Sandmeyer发现。这种有百余年历史的方法,仍在得到不断的丰富和发展,仍在当今的科学研究和工业生产中得到广泛应用。因此,对于桑德迈尔反应新策略的研究仍具有重要意义。

B.有机电化学简介

有机电化学合成其实离我们的生活一点都不遥远。己二腈和葡萄糖酸钙都是产量巨大的工业应用实例。有机电化学反应往往有绿色、环保、温和的特点。莫凡洋课题组在Kolbe反应研究中取得了一些进展(J. Org. Chem. 2018, 83, 3200; Green Chem. 2018,20, 3916)

C.电化学实现桑德迈尔反应需要克服的问题

1)重氮盐可以在电极上发生双电子还原,形成芳基阴离子,其可以容易地质子化得到还原产物。

2)重氮盐在电极上单电子还原得到芳基自由基可以与其他芳烃(Gomberg-Bachmann 反应)或另一个芳基自由基反应生成联芳基副产物。

3)芳基自由基也可能会直接与电极表面发生反应,改变电极表面的理化性质,并降低电化学过程的效率。

为了避免上述问题,我们设想通过调节电流来控制芳基自由基产生的速率,从而避免自由基发生副反应。同时选择活性适宜的卤化试剂来快速截断新生的芳基自由基,这是电化学过程实现的桑德迈尔反应的关键(图1)。

北京大学莫凡洋教授:电化学桑德迈尔反应

1.问题与解决办法

2. 成果介绍

我们以溴代反应为例,使用NBS作为溴化试剂。经过尝试,最优条件为使用MeOH/ DMF 5:1(体积比)作为混合溶剂,以Bu4NClO4作为电解质,以铂网电极,在10mA的恒定电流电解3小时。没有电流的情况下产率显著降低,表明所需产物主要从电化学反应过程获得。我们发现二碘甲烷(CH2I2)是优秀的碘化试剂。与溴化和碘化相比,由于氯的电负性较高,氯化过程更具有挑战性。我们尝试了在阳极氧化氯阴离子生成氯自由基的方法,发现使用无机盐LiCl,泡沫镍作为阴极,可以实现较好的氯化反应。电化学一个优势是原位在体系中可控地生成高活性反应物种。同时我们也扩展到使用NaBr作为溴源的溴化反应。

随后我们进行了底物扩展,碘化、溴化、氯化反应均得到了很多优秀的例子。反应的官能团相容性较好,对于吸电子基团,反应更加有利。其中,部分例子采用了NaBrLiCl等无机盐作为卤化试剂。使用简单的碱金属氯溴化物进行卤化是该方法的一个亮点

北京大学莫凡洋教授:电化学桑德迈尔反应

2.电化学重氮盐卤化实例

苯胺类是广泛可用的有机合成原料。因此我们设想进行原位重氮化,即反应在苯胺进行重氮化后,无需分离重氮盐,直接加入卤化试剂电解,通过一锅法完成卤化反应。我们尝试了一些芳香胺,许多已成功转化为相应的卤化产物,因为其为一锅法,相对于多步反应,其收率极高(42-83%),该一锅法也能够兼容许多官能团,如硼酸酯,酰胺和吲哚等。

北京大学莫凡洋教授:电化学桑德迈尔反应

3.电化学苯胺卤化实例

为了进一步证明该电化学反应方法的实用性,我们进行克规模的扩大实验。由于重氮盐的电化学还原发生在阴极,我们应用廉价的大尺寸石墨板电极来降低电流密度,同样得到了优秀的产率(80%)。

我们用循环伏安法,控制实验和电子顺磁共振(EPR)研究了该反应的过程。EPR技术广泛用于研究电化学产生的有机自由基。这里,我们采用自制的EPR扁平池反应器原位跟踪反应过程中产生的自由基种类以及浓度。如图4所示,将两个铂丝通入扁平池,再将反应液置入,边电解边测量EPR信号。我们设计了四个原位反应。跟踪这些反应所产生的自由基,得到了丰富的反应过程信息。重氮盐在阴极被还原得到芳基自由基,这种自由基寿命极短,普通EPR是不能够检测到的。因此我们加入了自由基捕获剂。芳基自由基随即被捕获剂捕获,得到稳定的自由基化合物8。通过超精细偶合常数,g值以及HRMS数据,我们归属化合物8的结构如图所示。四个反应自由基浓度随时间变化如图5所示。这种变化表明自由基的产生是电流所致;使用不同的自由基捕获剂将改变反应路径。芳基自由基可以被许多自由基捕获试剂如NBSCH2I2PBN以及TEMPO捕获。

北京大学莫凡洋教授:电化学桑德迈尔反应

4.四个原位EPR反应。

 

北京大学莫凡洋教授:电化学桑德迈尔反应

5.四个原位EPR实验自由基浓度随时间变化曲线。

3. 结论与展望

我们开发了一种电化学过程的桑德迈尔反应的实现方法。期待该反应在未来的有机合成中得到广泛的应用。

 

文献链接:https://doi.org/10.1039/C8SC03346C

本文来自研之成理,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号研之成理

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code