催化学报 ›› 2024, Vol. 67: 54-60.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60139-7

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电化学苄位区域选择性氧化反应研究

奚亦凡a, 高睿行a, 方萍a, 韩亚平b(), 马聪a, 梅天胜a()   

  1. a中国科学院大学, 中国科学院上海有机化学研究所, 金属有机化学国家重点实验室, 上海 200032
    b河北工业大学化工学院, 天津 300130
  • 收稿日期:2024-09-02 接受日期:2024-09-10 出版日期:2024-11-30 发布日期:2024-11-30
  • 通讯作者: 韩亚平,梅天胜
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2021YFA1500100);中国科学院战略重点研究计划项目(XDB0610000);国家自然科学基金项目(21821002);国家自然科学基金项目(22361142834);国家自然科学基金项目(22425111);国家自然科学基金项目(22101294);上海市科学与技术研究基金(21ZR1476500);宁波自然科学基金项目(2023J035)

Site-selective benzylic C-H oxidation through mediated electrolysis

Yi-Fan Xia, Rui-Xing Gaoa, Ping Fanga, Ya-Ping Hanb(), Cong Maa, Tian-Sheng Meia()   

  1. aState Key Laboratory of Organometallic Chemistry, Shanghai Institute of Organic Chemistry, University of Chinese Academy of Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China
    bSchool of Chemical Engineering and Technology, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China
  • Received:2024-09-02 Accepted:2024-09-10 Online:2024-11-30 Published:2024-11-30
  • Contact: Ya-Ping Han, Tian-Sheng Mei
  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2021YFA1500100);Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDB0610000);National Natural Science Foundation of China(21821002);National Natural Science Foundation of China(22361142834);National Natural Science Foundation of China(22425111);National Natural Science Foundation of China(22101294);S&TCSM of Shanghai(21ZR1476500);Natural Science Foundation of Ningbo(2023J035)

摘要:

苄位氧化反应在化工制造和医药生产中应用广泛. 通过有机电合成, 利用电子作为清洁的氧化剂, 可以避免当量化学试剂的加入, 提高反应的原子经济性. 然而, 传统的直接电解方法存在电极电位过高的问题. 为解决该问题, 氢原子转移(HAT)分子电催化剂N-羟基马来酰亚胺(NHPI)被引入反应体系, 通过间接电解的方式使反应在温和条件下进行. 然而, 当面对多个键能相近、电性相似的碳氢键时, 该催化剂存在区域选择性不佳的挑战.

为了解决该挑战, 本文设想将Maruoka课题组(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 14261-14264)报道的大位阻N-羟基马来酰亚胺(NHMI)催化剂与有机电合成相结合, 以利用其位阻效应来调控反应的区域选择性. 首先, 合成了一系列NHPI与NHMI的类似物, 并在标准反应条件下对其催化性能进行考察. 使用最优催化剂考察了反应的时间曲线, 并确定了反应的理想时间. 在最优条件下, 对不同位阻和电性特征的底物进行了考察. 研究结果表明, 当底物的一侧位阻逐渐增大时, 反应的区域选择性显著提高. 然而, 当底物一侧存在富电子基团(如环丙基或取代的苯基)时, 反应的区域选择性会发生逆转. 这是因为即使该碳氢键的位阻较大, HAT反应仍然更倾向于发生在富电子的碳氢键上. 将大位阻的NHMI催化剂与NHPI的催化效果进行比较, 本研究发现NHMI催化剂在大多数情况下表现出更优的区域选择性, 并且不存在二次氧化的问题, 为该催化剂在电化学体系下的其他应用提供参考, 也为后续HAT分子电催化剂的设计和优化提供借鉴. 在机理研究方面, 通过循环伏安曲线(CV)测定了底物与催化剂的氧化电位, 此外, 通过时间曲线、背景反应以及恒电位电解法等方法证明了HAT过程的存在.

综上所述, 本研究将大位阻NHMI催化剂应用在电化学氧化反应中, 一定程度上解决了NHPI催化的电化学氧化反应中存在区域选择性差的问题. 但是目前反应中还存在许多不足. 首先, 催化剂结构复杂, 易于在反应中降解. 其次, 该催化剂的氧化电位较高, 对含有敏感官能团的底物并不适用. 未来的研究中应着眼于开发新一代HAT试剂, 力求降低催化剂用量, 提高反应的经济性.

关键词: 有机电化学, 氢原子转移, 选择性氧化, N-羟基马来酰亚胺, 自由基氧化

Abstract:

A novel strategy for site-selective benzylic C-H oxidation has been developed through mediated electrolysis. A bulky maleimide N-oxyl radical (MINO) generated by proton-coupled electrochemical oxidation of N-hydroxymaleimide (NHMI), serves as a hydrogen atom-transfer mediator. Good-to-excellent site selectivity was observed among different substrates, providing a practical approach for site-selective benzylic C-H oxidation. Additionally, the hydrogen-atom transfer mechanism for C-H electrochemical oxidation allows the oxidation to proceed at much lower anode potentials relative to direct electrolysis and with minimal reliance on the substrate's electronic properties.

Key words: Organic electrochemistry, Hydrogen atom transfer, Site-selective oxidation, N-Hydroxymaleimide, Radical oxidation