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近年来,有机电化学作为一种绿色高效的合成方法得到了飞速的发展。电化学条件下可以通过调节电极电势选择性地实现官能团的氧化或者还原,利用电子转移作为化学氧化剂或还原剂的有效、可控的替代品,为实现绿色有机合成提供了新的契机。电化学与亲电交叉偶联的“强强联手”,即电化学还原亲电交叉偶联(eXEC),为构筑碳碳键提供更加高效绿色的方法,受到越来越多合成化学家们的关注(图1)。
图1 电还原亲电交叉偶联的发展 最近,南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室仇友爱团队基于“电化学还原亲电交叉偶联策略”高效实现了一系列羧化及氘化反应,包括亲电试剂与CO2的交叉亲电偶联反应,烷基卤化物与D2O的直接电化学氘化反应以及小环化合物开环亲电交叉偶联反应( Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202207746;Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202210201;Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202214710;Nat. Commun. 2022, 13, 3774)等。基于以上工作,仇友爱课题组受邀在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表综述性论文 “Electroreductive Cross-Electrophile Coupling (eXEC) Reactions”,(图2) 分别介绍了芳基亲电试剂,烷基亲电试剂,小分子(CO2, SO2, D2O)参与的亲电交叉偶联反应,系统总结了近几年电还原体系中亲电交叉偶联(eXEC)的一系列具有特色的原创性成果。 图2 电还原亲电交叉偶联 i)芳基亲电试剂参与的电化学亲电交叉偶联 芳基(类)卤化物是一类容易获得有机化合物,并且广泛应用于药物和天然产物的合成。近年来,Hansen小组,Weix小组和梅天胜小组相继实现了镍催化芳基卤化物与烷基卤化物的电还原亲电交叉偶联,进一步推动和证明了电化学条件下亲电交叉偶联的适用性和优越性。随后李超课题组,仇友爱组等发展了醇类化合物或者芳基氮杂环丙啶分别与芳基溴的电化学亲电交叉偶联反应(图3)。随着不对称有机合成的深入研究和电催化有机合成的快速发展,不对称电化学反应广泛引起了研究人员的兴趣。 图3 芳基卤化物的电化学亲电交叉偶联 ii)烷基亲电试剂参与的电化学亲电交叉偶联 开发有效构建C(sp3)-C(sp3)键的方法在现代有机合成化学中是一个重要的挑战。烷基卤化物是一类易得且容易直接实现交叉偶联的亲电试剂,同时具有较好的稳定性和官能团耐受性。最近,林松小组通过利用电化学中不同底物的电子和空间位阻特性,实现了不同烷基卤化物的亲电交叉偶联反应,构建了一类α位具有硼,硅等原子取代的新的Csp3-Csp3 键的化合物(图4)。另外,烷基羧酸脱羟基与烷基卤化物的亲电交叉偶联反应以及芳基酮或醛与未活化的烷基卤化物的高效羰基烷基化等也相继被实现。 图4 烷基卤化物的电化学亲电交叉偶联 iii)小分子亲电试剂的电化学亲电交叉偶联 随着CO2和SO2排放量的增加,其对气候变化的影响而成为一个重大的环境问题。捕获CO2和SO2并将其转化为具有潜在应用价值的化合物。光氧化还原催化和电化学的复兴,为二氧化碳和SO2的转化创造了新的途径。Ackermann和梅天胜小组开发了使用钴,钯金属催化的烯丙基羧化方法。余达刚,林松和仇友爱小组相继实现了芳基卤化物的不同羧化方法以及芳香环,杂环的C-H键羧化。另外Baran,仇友爱课题组实现了SO2和D2O参与的亲电交叉偶联反应(图5)。 图5 电化学小分子亲电试剂的亲电交叉偶联 在过去的十年中,虽然合成化学在电还原交叉亲电偶联(eXEC)策略方面取得了重大进展,但该领域新颖有效的转化方法和进一步的发展仍然具有一定的局限性。首先,相同类型亲电试剂(如两种不同种类的芳基卤化物或烷基卤化物)的电化学交叉亲电偶联尚未得到探索。其次,使用eXEC的对映选择性转化仍处于早期阶段。第三,使用基于eXEC的方法实现几种重要的亲电底物,如醇、胺和其他小分子亲偶联仍然具有挑战性。最后新的合成技术仍然有待研究,例如通过整合电化学和光化学进行有机光电化学协同催化,以及使用交流电催化等。本综述将进一步激发化学家去开发新型的eXEC反应。 论文信息 Electroreductive Cross-Electrophile Coupling (eXEC) Reactions Yaowen Liu, Pengfei Li, Yanwei Wang, Prof. Dr. Youai Qiu 该工作得到了科技部重点研发专项、中央高校基本科研业务费及南开大学有机新物质创造前沿科学中心专项资金的支持。南开大学化学学院为唯一通讯单位,仇友爱研究员为唯一通讯作者。该课题组博士后刘耀文,博士生李鹏飞以及博士后王衍伟为共同一作。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202306679
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