广西师大潘英明/唐海涛课题组：异相电催化促进醛类化合物的环加成反应

有机小分子催化作为一种重要的催化模式，在某些方面可以很好的弥补酶催化及金属催化的缺点。氮杂环卡宾（NHC）催化醛羰基的化学转化是有机小分子催化反应的经典代表之一。NHC是一类包含一个卡宾碳和至少一个α-位氮原子的稳定单线态有机小分子催化剂，其氮原子的σ-吸电子效应降低了HOMO（sp²杂化的孤电子对和σ-轨道之间）轨道能量，同时其π-给电子效应增加了LUMO（未占据的p-π轨道）轨道能量，这种特殊的结构使得氮杂环卡宾具有一定的亲核性。由于这些特性，NHC催化剂拥有自己独特的催化模式，例如NHC可以与醛反应，形成Breslow中间体，该中间体可以发生Benzoin缩合、Stetter反应、单电子氧化或双电子氧化等过程（图1）。这种NHC催化的化学转化为合成羰基化合物和复杂的分子骨架提供了强有力的手段。

图1. NHC的结构及其代表性催化模式

潘英明/唐海涛课题组长期致力于异相催化领域的研究。例如该课题组最近报道了异相单原子钴催化的酰氯氟化反应（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202209749）、异相钴簇合物催化的炔烃硅氢化反应（ACS Catal. 2021, 11, 6944-6950）、异相钯催化的炔烃双锡化反应（Chem, 2020, 6, 2300-2313）以及氧化Heck反应（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 2448-2453）。受这些前期工作的启发，该课题组设想将均相的NHC小分子链接上乙烯基后进行聚合，得到NHC聚合物催化剂，以此解决NHC催化剂的重复利用问题（图2）。

图2. 代表性NHC聚合物的合成路线

作者发现，该聚合物催化剂在电氧化的条件下表现出良好的催化活性，成功实现了芳香醛与异氰基乙酸酯的环加成反应合成4,5-二取代噁唑类化合物。这种电化学氧化与NHC聚合物结合的异相催化策略，为新型绿色催化体系的开发提供了参考。此外，该催化剂以多孔有机聚合物为载体，不仅能综合载体材料的孔道效应和离散反应位点的优点，还能保持均相条件下氮杂环卡宾的催化活性（图3）。

图3. 电化学异相催化合成反应模式的设计

作者首先筛选确定了1,3-二甲基碘化咪唑为NHC聚合物催化剂的核心结构，然后通过筛选其他电化学参数得到最佳的反应条件：以20 mol%的N4作为催化剂，RVC为阳极，铂片为阴极，乙腈为溶剂，DBU为碱，四丁基高氯酸铵为电解质，室温条件下电极反应6小时，以88%的分离收率得到目标产物3aa （图4）。

图4. 反应条件的筛选

随后，在最优反应条件下，作者考察了芳香醛和异氰基乙酸酯底物的适用范围（图5）。研究发现，该反应体系能与卤素兼容，无论是使用富电子官能团还是缺电子官能团取代的苯甲醛底物，如甲基、甲氧基、叔丁基、氰化物和三氟甲基，均以良好的收率得到4,5-二取代噁唑化合物。而且对于含杂环、邻位或间位取代基的苯甲醛也能以较好的产率得到相应的目标产物。只有4-硝基苯甲醛的产率略低，这可能是由于硝基的还原。另外，含有甲基、叔丁基和苄基酯基团的异腈在反应中也具有良好的收率。作者还将该方法应用到一些天然产物的后期修饰中，例如，使用薄荷醇、齐墩果酸和胆固醇衍生的醛均可以中等产率得到相应产物。

图5. 底物拓展

为了阐明异相催化剂的反应性能，作者对该体系中的NHC聚合物进行了综合表征（图6）。傅里叶变换红外光谱显示，在1578和1446cm^-1的吸收峰对应于咪唑环的C=N和C=C伸缩振动，表明NHC催化剂成功地通过共价键负载与聚合物材料中。氮气吸附-解吸分析表明，催化剂具有多孔性特征，孔径主要分布在1.8 nm和4 nm之间，意味着有更多的通道用于底物运输，并有许多可用于充分发生阳极氧化的电活性位点。热重分析表明，催化剂在350℃下仍基本保持完整。作者还进行了催化剂的回收循环实验，在第五次循环使用时，反应产率没有明显地降低，表明该催化剂也具有一定的可回收特性。

图6. 聚合物的结构表征

最后，作者在对照实验和相关文献报道的基础上，提出了一种可能的反应机理（图7）。首先，在碱的存在下原位生成NHC，与醛1结合生成Breslow中间体I并被阳极氧化为自由基中间体II，同时碘离子在阳极上被氧化为碘自由基。然后两者发生自由基偶联生成中间体III。III发生消除一份子HI生成亲电酰基唑中间体IV。异氰基乙酸乙酯2在碱的作用下与中间体IV发生亲核加成得到中间体Ⅴ。最后经过互变异构，分子内环化和NHC的消除再生形成目标产物3。

图7. 可能的反应机理

相关成果近期在线发表于Science China Chemistry。硕士研究生欧楚鸿为文章的第一作者，唐海涛副教授为通讯作者。详细内容见：Chu-Hong Ou, Ying-Ming Pan, Hai-Tao Tang. Electrochemically Promoted N-Heterocyclic Carbene Polymer-Catalyzed Cycloaddition of Aldehyde with Isocyanide Acetate. Sci. China. Chem., 2022, doi: 10.1007/s11426-022-1360-3。

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