【今日化学前沿】上海有机所梅天胜课题组发表JACS 报道电化学氧化促进的碳氢键官能团化反应新进展

导读

近日，上海有机所金属有机国家重点实验室的梅天胜研究员课题组在美国化学会志（J. Am. Chem. Soc）上发表高水平文章，报道了他们课题组在电化学氧化促进的碳氢键官能团化反应方面的新进展，作者在钯催化的碳氢键官能团化反应中使用绿色清洁的电化学氧化，促进了C-O键的还原消除反应，使得不同的含氧亲核试剂都能够以良好的产率得到相应的产物，文章DOI: 10.1021/jacs.7b01232。

梅天胜研究员（青年千人），本科和硕士毕业于兰州大学化学系，导师李裕林教授，并在Brandeis University取得硕士学位，在The Scripps Research Institute获得博士学位，导师均为碳氢键活化领域大咖余金权教授，在University of Utah跟随 Matthew S. Sigman做博士后研究，2014年在上海有机所独立开展工作，研究方向主要包括：水分子活化、不对称催化、电化学氧化在金属有机中的应用等。

钯催化的碳氢键活化/碳氧键形成反应是一类非常重要且有用的化学转化方法，其中的碳氧键还原消除是成键的关键反应之一，但通常情况下，碳氧键还原消除比较困难。一种策略是利用配体加速还原消除反应，然而配体经常会干扰碳氢键官能化反应；另一种策略是用外加氧化剂如PhI(OAc)₂, t-BuOOAc, K₂S₂O₈等把二价钯氧化成更高价态的三价钯或者四价钯，从而促进还原消除反应。但化学氧化剂一般比较昂贵、有毒并且会形成副产物干扰反应。因此，寻找一种可以克服以上缺点的氧化体系显得非常必要且重要。

图 1 电化学氧化促进的二价钯催化的碳氢键官能团化

电化学氧化是二价钯催化碳氢键官能团化反应中的一种潜在的理想的氧化剂，主要有两种策略，如图1a，阳极先把卤素负离子氧化成相应的正离子，接着卤素正离子去氧化二价钯到三价钯或者四价钯，最后通过还原消除得到产物；另一种策略如图1b, 阳极直接将二价钯氧化到三价钯或者四价钯。已有许多电化学氧化促进的钯催化的芳环上sp²碳氢键官能团化的报道，但相应的sp³碳氢键官能团化还未见报道。本文作者则是报道了首例电化学氧化促进的，含氧负离子作为抗衡离子，钯催化的肟类底物的sp³碳氢键官能团化反应。

图 2 反应条件的筛选

首先，作者以O-3-苯基丙基肟1a为底物，对反应条件进行了优化。发现在阳极10 mol % Pd(OAc)₂，4 equiv NaOAc , 2 mL HOAc存在下，在恒定电流1.5 mA 条件下70 ℃ 反应12 h, 能以82% 的收率得到β-位单醋酸酯2a。降低Pd(OAc)₂的当量，产率有所降低，没有电流或者没有Pd(OAc)₂时，只得到极少量的碳氢键活化产物。当没有电流，而加入其它常规氧化剂时，产率较低，还有许多二醋酸酯副产物2aa产生（entry 11, 12, 13）。

图 3 底物的扩展

有了最佳反应条件，作者对反应底物进行了扩展，首先是肟类底物的扩展，肟中的氧上带有不同的烷基取代基，或者肟中亚胺上带有不同的取代基如烷基、酯基、硅保护基、卤素、氰基等都能够兼容，十多个底物都取得了良好到优秀的产率。但当底物中含有OAc(2s)时产率较低，α-位有质子的底物（2t）反应较慢，产率也较低。

除了OAc，作者还尝试了其它含氧的亲核试剂，如形成碳酸酯、磺酸酯、甲基醚等，但产率都比形成相应的醋酸酯产率低。

图 4 动力学同位素实验

如图4所示，通过动力学同位素实验，1h和1h-D平行实验的速率常数之比为3.7，说明在整个催化循环中碳氢键的断裂有可能是决速步。

通过钯杂金属环的循环伏安实验，为阳极把二价的烷基钯氧化到三价钯或者四价钯提供了证据，这些高价钯物种促进了碳氧键的还原消除反应。

图 5 反应可能的机理

根据以上实验结果，作者也提出了反应可能的机理，首先，肟类底物和醋酸钯配位，形成中间体A，碳氢键活化并失去一分子HOAc得到二价钯杂环物种B，发生电化学氧化，失去两个电子，得到四价钯杂环物种C，顺利发生还原消除形成碳氧键得到中间体D，再经配体交换得到产物2a，二价钯重新进入催化循环。

总结

梅天胜课题组在钯催化的碳氢键官能团化反应中使用了绿色清洁的电化学氧化，促进了C-O键的还原消除反应，首次报道了电化学氧化促进的，含氧负离子作为抗衡离子，钯催化的肟类底物的sp³碳氢键官能团化。反应条件温和，底物范围广，不同的含氧亲核试剂都能够以较好的产率得到相应的产物。和传统的化学氧化体系相比，该体系避免了有毒、昂贵的化学氧化剂的使用，通过对电流强度、电压的调控，该反应体系可以给出更好的化学选择性，这为碳氢键活化/碳氧键形成反应提供了一条全新的、绿色的合成途径，会得到越来越多的应用。

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