新疆大学刘晨江教授/中国计量大学金伟伟教授团队：通用的电氧化烯烃的胺硒化和氧硒化反应

导语

烯烃是一种具有广泛用途的大宗化学品，通过烯烃双官能团化反应是制备高附加值的有机化合物的一种重要策略。近年来，文献报道了许多通过热化学、光化学或电化学策略实现烯烃双官能团化制备含硒化合物的方法。然而，目前通用的电化学胺硒化和氧硒化反应特别是可以兼容非活化烯烃和共轭二烯类底物的研究还未见报道。近日，新疆大学刘晨江教授、中国计量大学金伟伟教授团队报道了一种通用的烯烃电化学氧化胺硒化和氧硒化反应。相关研究成果近期发表于Green Chemistry （DOI: 10.1039/d3gc00837a）。

烯烃及其衍生物的串联电化学氧化分子间或分子内胺硒化、氧硒化、硒磺酰化和氟硒化等反应已被成功报道。例如，2019年，雷爱文课题组报道了以苯并三氮唑、羧酸和醇为亲核试剂的苯乙烯的电化学氧化胺硒化和氧硒化反应研究（Org. Lett., 2019, 21, 1297-1300）。其他已报道的电化学氧硒化主要局限于非活化烯烃的分子内环化反应，与广泛研究的活化烯烃的双官能团化相比，非活化烯烃由于活性较低，目前研究较少。基于本团队之前关于苯乙烯的电氧化三官能团化的研究工作（Green Synthesis and Catalysis, 2022, in press, DOI: 10.1016/ j.gresc.2022.10.008），作者在此提出了一种烯烃的区域选择性胺硒化和氧硒化反应的通用方法，该方法烯烃底物范围广泛，包括活化的芳基烯烃、具有挑战性的1,3-二烯和非活化烯烃都可以兼容。同时，非活化烯烃的氧硒化也可以成功实现（图1）。

图1. 电氧化烯烃的胺硒化和氧硒化。（图片来源：Green Chem.）

前沿科研成果

通用的电氧化烯烃的胺硒化和氧硒化反应

首先，作者使用市售的苯乙烯1a、糖精2a和二苯基二硒醚3a作为模型底物，对反应条件进行了优化，得出最佳的反应条件为：四乙基溴化铵作为电解质，乙腈作为溶剂，碳作阳极，镍作阴极，恒定电流10 mA，在室温和空气下反应2 h。

首先，作者研究了烯烃胺硒化反应的底物适用范围。研究表明，各种给电子基和吸电子基取代的芳基烯烃以及1,3-二烯都能以中等到良好的产率得到目标产物（图2）。

图2. 芳基烯烃和芳基1，3-丁二烯的底物范围。（图片来源：Green Chem.）

随后，选择了各种非活化烯烃探索该策略的普适性（图3）。作者分别尝试了各种不同取代基取代的烯丙基苯以及高烯丙基苯作为底物，可以以44-79%的产率合成相应的产物。作者又尝试了含有不同芳基的非活化烯烃，例如：含有酯基、酚氧基、乙酰氧基、邻苯二甲酰亚胺、酰胺等基团的非活化烯烃，发现也都可以以中等收率得到相应的目标产物。对反应条件进一步筛选，以高达99%的收率得到环己烯胺硒化产物。此外，二芳基、二杂芳基和二烷基二硒醚在该条件下也能很好的兼容，以中等至优异的收率（52-97%）得到目标产物。但是，由于其他胺源亲核能力相对较差，反应活性较低。

图3. 非活化烯烃和二硒醚的底物范围。（图片来源：Green Chem.）

受各种烯烃的电化学氧化胺硒化的启发，作者设想可通过类似的条件实现非活化烯烃的氧硒化反应。对反应条件略作调变，发现非活化烯烃的电化学氧硒化是可行的（图4）。研究发现，苯环上具有给电子基团和吸电子基团的苯甲酸衍生物都可以很好的兼容，产率为71-97%。其他羧酸类似物，如杂环羧酸、多卤代羧酸和芳基炔基羧酸与环己烯和二苯基二硒醚均反应良好，以中等至良好的产率生成相应的目标产物，脂肪族羧酸也能以良好的产率得到氧硒化产物。但是，脂肪醇如甲醇和乙醇作为亲核试剂时，没有得到预期的双官能团化产物。

图4. 酸和非活化烯烃的底物范围。（图片来源：Green Chem.）

图5. 生物活性分子的后期修饰。（图片来源：Green Chem.）

该方法的实用性和通用性可以通过生物活性分子的后期双官能团化得到证明（图5）。雌酮类烯烃衍生物分别以75%和91%的收率得到胺硒化目标产物。在氧硒化反应条件下，芳基、肉桂基和杂芳基羧酸的氧硒化反应效率中等至良好，脂肪族天然羧酸也以理想的收率得到了预期的氧硒化产物。此外，电化学氧化烯烃的胺硒化和氧硒化合成技术可以很容易地扩大到克级，并获得中等至优异的收率。

根据自由基捕获实验、循环伏安实验和文献报道，作者提出了两种可能的反应机理（图6）。一种是自由基型机理（图6，path I）。二硒醚3首先在阳极氧化，得到阳离子自由基中间体A，A离解为硒阳离子B和硒自由基C。然后阳离子B与烯烃1反应，形成硒鎓离子中间体D。最后，亲核试剂进攻中间体D，D脱质子后得到目标产物。但是不能排除自由基型机理的可能（图6，path II）：3在阴极发生还原反应，得到阴离子自由基中间体F，F裂解为硒阴离子G和硒自由基C，C与1发生自由基加成反应得到碳自由基中间体H，H在阳极被氧化得到碳正离子中间体I，亲核试剂进攻中间体I，从而得到中间体E，脱质子后生成目标产物。

图6. 可能的反应机理。（图片来源：Green Chem.）

总结：

总之，作者开发了一种环境友好的通用的绿色合成方法，在恒流电解下实现了烯烃的电化学胺硒化和氧硒化反应。活化的芳基烯烃和具有挑战性的1,3-二烯和非活化的脂肪族烯烃都能很好的参与反应，且具有良好的区域选择性。克级反应和生物活性分子的后修饰进一步证明了该方法的潜在应用价值。结合机理探究实验和相关文献作者提出了可能的反应机理。

该工作近期以“Versatile electrooxidative amino- and oxyselenation of alkenes”为题发表在Green. Chem. （DOI: 10.1039/d3gc00837a）上，新疆大学化学学院硕士研究生王仁杰和张娜娜为本文共同第一作者，通讯作者为新疆大学刘晨江教授、中国计量大学金伟伟教授和凯莱英生命科学技术（天津）有限公司化学大分子部高级研发主管李新勇副高级工程师。该工作得到了国家自然科学基金、新疆维吾尔自治区天山创新团队项目和新疆维吾尔自治区自然科学基金的资助。

教授简介

刘晨江，工学博士，二级教授，博士生导师。现任新疆大学未来技术学院院长（曾任新疆大学科学技术处处长、科研处处长、理化测试中心主任等），石油天然气精细化工教育部重点实验室常务副主任，新疆石油天然气精细化工自治区重点实验室常务副主任，乌鲁木齐绿色催化与合成技术重点实验室主任。兼任教育部高等学校化学类专业教学指导委员会委员，中国化学会公共安全化学专业委员会委员，中国化学会化学教育学科委员会委员，中国化工学会精细化工专业委员会常务委员，中国化工学会微波能化工应用专业委员会委员，新疆维吾尔自治区高等学校科研管理研究会理事长，新疆维吾尔自治区化学学会副理事长，新疆维吾尔自治区节能减排专家委员会学术委员会副主任委员，《大学化学》《精细化工》《Green Synthesis and Catalysis》等期刊编委。主要研究方向是绿色催化与合成和有机功能材料分子的合成。先后主持6项国家自然科学基金、2项国家重点研发计划子课题、科技部科技人员服务企业行动计划、教育部春晖计划、自治区天山创新团队计划项目、自治区自然科学基金重点项目、自治区高技术研究与发展计划、自治区普通高等学校教学改革研究重点项目、“万人计划”后备人选培养项目、自治区青年科技创新人才培养工程等项目近30项。以第一作者和通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Green Chem., Org. Lett., Org. Chem. Front., Sci. China Chem., Chem. Eur. J., Chin. J. Chem.等国内外刊物上发表SCI论文100余篇，其中ESI高被引论文3篇。授权国家发明专利3件。个人或排名第一荣获全国宝钢教育基金优秀教师荣誉称号、2020年度新疆维吾尔自治区自然科学一等奖、2010年度乌鲁木齐市科技进步一等奖等奖励10余项。

金伟伟，理学博士，教授，硕士研究生导师，现工作于中国计量大学生命科学学院药学系，主要从事药物活性分子的绿色有机合成，包括有机电合成、流动电化学和可见光催化等，主持包括国家高层次人才计划青年项目、国家自然科学基金青年基金和地区基金在内的科研项目8项，在Angew. Chem. Int. Ed., Green Chem., Org. Lett., Org. Chem. Front., Adv. Synth. Catal., Chem. Eur. J., ChemCatChem, Organometallics, Eur. J. Org. Chem.等期刊发表SCI收录论文40多篇，授权中国专利7件，曾获2017年新疆维吾尔自治区化学学会优秀青年科技奖、2020年新疆维吾尔自治区自然科学奖一等奖（排名第四）。

邀稿

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