查正根 張麗 汪志勇

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 安徽合肥230026)

有機(jī)電化學(xué)合成是一門有機(jī)合成與電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合的邊緣學(xué)科，主要研究有機(jī)分子或催化媒質(zhì)在電極/溶液界面上電荷相互傳遞，電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化及舊鍵斷裂、新鍵形成的規(guī)律［1］。

與傳統(tǒng)化學(xué)合成方法比較，有機(jī)電化學(xué)合成具有以下優(yōu)勢(shì):①反應(yīng)中不需要添加有毒或者危險(xiǎn)的氧化劑和還原劑，電子就是反應(yīng)試劑。因此合成產(chǎn)物易分離和精制，可大幅降低環(huán)境污染。②在電合成過程中，可通過改變電極電位合成不同的有機(jī)產(chǎn)品;同時(shí)也可通過控制電極電位，使反應(yīng)按預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行，從而獲得高純度的有機(jī)產(chǎn)物，產(chǎn)率和選擇性均較高。③在反應(yīng)體系中，電子轉(zhuǎn)移和化學(xué)反應(yīng)這兩個(gè)過程可同時(shí)進(jìn)行，從而能縮短合成工藝，減少設(shè)備投資。④反應(yīng)可在常溫、常壓下進(jìn)行，一般不需要特殊的加熱和加壓設(shè)備，不僅可以節(jié)省較多的能源和設(shè)備，而且操作簡(jiǎn)單，使用安全。⑤有機(jī)電合成的裝置具有通用性，在同一電解槽中可進(jìn)行多種合成反應(yīng)。改變某一電極材料或反應(yīng)液就能合成某種新的有機(jī)產(chǎn)品，尤其適合于多品種、小批量的生產(chǎn)部門。⑥在有機(jī)電化學(xué)合成過程中，可任意改變氧化或還原反應(yīng)的速度，亦可隨時(shí)終止或起動(dòng)反應(yīng)［1］。

近30年來，水介質(zhì)中碳碳鍵的形成一直是研究的熱點(diǎn)，其優(yōu)越性也逐漸被人們所認(rèn)知［2-3］。在已發(fā)現(xiàn)的水相金屬有機(jī)反應(yīng)中，水相烯丙基化反應(yīng)是研究得較多和較深入的反應(yīng)之一。該類反應(yīng)由于發(fā)展速度較快，新的金屬及金屬體系參與的烯丙基化反應(yīng)不斷被報(bào)道［4］。參與烯丙基化反應(yīng)的金屬有:鋅，錫，銦，鎵等。該類反應(yīng)的缺點(diǎn)無法脫離大量金屬的參與，導(dǎo)致后處理復(fù)雜及對(duì)環(huán)境的污染。在電化學(xué)條件下，金屬可在陰極以不同的形貌析出，并能重復(fù)利用，因此電化學(xué)合成為該類反應(yīng)提供了廣闊的應(yīng)用前景。

本文簡(jiǎn)要概述電化學(xué)在有機(jī)相和水相Barbier-Grignard型反應(yīng)中的研究與應(yīng)用。

1 電化學(xué)條件下In促進(jìn)的Barbier-Grignard反應(yīng)

2001年，Hilt［5］首次將電化學(xué)應(yīng)用于有機(jī)溶劑中的烯丙基化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)產(chǎn)生高活性的低價(jià)銦(Ⅰ)催化形成碳碳鍵(反應(yīng)(1))。作者提出的反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。首先是在陽極溶出鋁金屬，保持新鮮的表面，并將In3+還原成In，In經(jīng)過在陽極表面的再氧化過程轉(zhuǎn)化成高活性的In+，從而氧化加成到烯丙基溴上實(shí)現(xiàn)烯丙基化反應(yīng)。這是首次實(shí)現(xiàn)的電化學(xué)產(chǎn)生高活性的In+并成功地應(yīng)用到了烯丙基化反應(yīng)中，反應(yīng)的底物可以是醛、酮和羧酸酯。

圖1 Al電極上產(chǎn)生In+促進(jìn)的烯丙基化反應(yīng)

隨后，2003年Hilt等［6］實(shí)現(xiàn)了三組分串聯(lián)成對(duì)電解合成保護(hù)的高烯丙基醇(圖2)。作者將反應(yīng)(1)體系中的陰極鉑電極換成銦電極，實(shí)現(xiàn)了陰極上In3+的直接還原，從而參與烯丙基化反應(yīng)產(chǎn)生活性中間體1;同時(shí)，陽極上四氫呋喃氧化成活性中間體2，從而進(jìn)一步與活性中間體1發(fā)生反應(yīng)生成保護(hù)的高烯丙基醇3。

圖2 In促進(jìn)的被保護(hù)的高烯丙醇串聯(lián)成對(duì)電合成

2 電化學(xué)條件下Sn促進(jìn)的Barbier-Grignard反應(yīng)

本課題組在已有的關(guān)于金屬錫參與的烯丙基化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，2005年首次報(bào)道了可循環(huán)的電化學(xué)原位產(chǎn)生金屬錫參與水相烯丙基化反應(yīng)(反應(yīng)(2))［7］。此反應(yīng)中的錫和水都可以循環(huán)利用，而且電極無消耗。芳香醛和脂肪醛都能被烯丙基化，含有乙縮醛的底物不會(huì)水解生成副產(chǎn)物，巴豆基溴參與的反應(yīng)主要生成γ區(qū)域選擇性產(chǎn)物。

2010年，我們?cè)谏鲜鰣?bào)道的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了成對(duì)電合成羰基化合物和高烯丙基醇的反應(yīng)，如圖3所示［8］。利用自制的鹽橋?qū)蓚€(gè)分開的電解池連接起來，陰陽兩極同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，從而使陰陽兩極有效利用，相比于之前只利用了陰極的體系電流效率大大提高。具體反應(yīng)是:在陽極，Br-氧化生成Br2，從而氧化醇生成羰基化合物;同時(shí)，在陰極Sn2+還原成單質(zhì)Sn，從而催化羰基化合物和烯丙基溴發(fā)生烯丙基化反應(yīng)。為了避免有機(jī)物在電極上發(fā)生副反應(yīng)，體系分成兩相，有機(jī)物底物用二氯甲烷溶解后處在下層，無機(jī)鹽溶解在水相中處于上層，電極插在上層的水相，采用電解和攪拌交替進(jìn)行的方式以完成反應(yīng)。

圖3 在分開電解池中羰基化合物和高烯丙醇成對(duì)電合成

由于反應(yīng)過程中生成了有毒的單質(zhì)溴，所以我們對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行了改進(jìn)，在進(jìn)一步的優(yōu)化條件過程中，實(shí)現(xiàn)了芐醇在陽極上的直接電氧化，從而避免了溴的使用，體系也由之前的兩相簡(jiǎn)化為單一水相，如圖4所示［9］。

圖4 在分開電解池中羰基化合物和高烯丙醇成對(duì)電合成優(yōu)化

2011年，我們課題組在上述報(bào)道的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)串聯(lián)反應(yīng):在水相中一鍋法從醇合成高烯丙基醇(反應(yīng)(3))。如圖5所示［10］，醇在陽極上氧化成羰基化合物，同時(shí)Sn2+在陰極上原位還原成Sn，從而催化羰基化合物和烯丙基溴發(fā)生烯丙基化反應(yīng)。這是首次實(shí)現(xiàn)的電化學(xué)串聯(lián)反應(yīng)從醇合成高烯丙基醇，反應(yīng)中的陽極和陰極都被有效利用，同時(shí)烯丙基化反應(yīng)的底物類型由傳統(tǒng)的羰基化合物拓展到了醇類物質(zhì)。

研究表明，在不同電極上，析出不同形貌的Sn對(duì)醇的烯丙基化反應(yīng)以及反應(yīng)機(jī)理有影響。在石墨電極上析出的毛絨狀Sn比在鉑電極上析出的棒狀Sn活性高，且反應(yīng)產(chǎn)率也高(圖6)。

圖5 在未分開電解池中由醇電合成高烯丙醇

圖6 Sn的SEM照片

3 電化學(xué)條件下Zn促進(jìn)的Barbier-Grignard反應(yīng)

2009年，Huang等［11］報(bào)道了在氨水中Zn促進(jìn)的電化學(xué)烯丙基化反應(yīng)(反應(yīng)(4))。在堿性條件下，利用犧牲陽極產(chǎn)生Zn2+，Zn2+在陰極上再析出一定形貌的活性Zn，從而參與反應(yīng)。在這個(gè)反應(yīng)體系中，犧牲陽極時(shí)消耗的Zn是化學(xué)計(jì)量的。緊接著，2010年，該小組報(bào)道使用催化量的鋅實(shí)現(xiàn)了該反應(yīng)［12］。在陰極室使用的是偏酸性的氯化銨溶液，這樣鋅陰極就會(huì)溶解一些到溶液中去釋放出Zn2+，Zn2+會(huì)在通電后從陰極上還原出來;在陽極發(fā)生的是電解水的反應(yīng)，釋放出氫離子，氫離子透過離子交換膜維持兩邊的pH平衡，也有利于鋅電極的進(jìn)一步溶出?？偟慕Y(jié)果是，每次反應(yīng)結(jié)束后，將鋅陰極拿出來稱量，結(jié)果是消耗了催化量的鋅。這較之以前犧牲陽極的體系有所改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，Huang等［13］在2011年報(bào)道了水相中電化學(xué)產(chǎn)生納米鋅促進(jìn)的簡(jiǎn)單亞胺的烯丙基化反應(yīng)(反應(yīng)(5))。反應(yīng)的類型也從烯丙基化反應(yīng)拓展到部分鹵代烴的烷基化反應(yīng)(反應(yīng)(6))。

R1=芳基，烷基;R2=芳基，烷基;R3=氫，甲基;產(chǎn)率:62%～97%

4 電化學(xué)無金屬條件下促進(jìn)的Barbier-Grignard反應(yīng)

由于大量使用金屬鹽和金屬電極，對(duì)環(huán)境造成很大負(fù)擔(dān)。Hilt小組嘗試了不用金屬促進(jìn)的電化學(xué)反應(yīng)，結(jié)果實(shí)現(xiàn)了DMF保護(hù)的高烯丙基醇的串聯(lián)電合成，如圖7所示［6］。首先烯丙基溴在陰極上得到電子生成烯丙基陰離子，與芳香醛反應(yīng)生成中間體4，在陽極，DMF氧化生成亞胺正離子5，親核中間體4遇到親電中間體5生成了DMF保護(hù)的高烯丙基醇6。作者指出，親核性的烯丙基負(fù)離子并沒有與親電性的亞胺正離子5反應(yīng)生成產(chǎn)物7，即使是在不加芳香醛的條件下情況也是一樣。作者認(rèn)為這是因?yàn)殡娊猱a(chǎn)生的活性中間體(如烯丙基陰離子)是吸附在電極上的，從而不容易反應(yīng)，抑或是這些電解產(chǎn)生的活性中間體在溶液中穩(wěn)定性很差的緣故，可以得到中等產(chǎn)率的產(chǎn)物。

圖7 甲酰胺保護(hù)的高烯丙醇串聯(lián)成對(duì)電合成

Fuchigami小組也報(bào)道了利用兩入口微流反應(yīng)器化學(xué)選擇性實(shí)現(xiàn)羰基化合物的烯丙基化反應(yīng)(圖8)［14］。醛和烯丙基鹵兩種反應(yīng)物分別從兩個(gè)入口進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器足夠小，兩種溶液界面很穩(wěn)定，以致兩種溶液界面只存在擴(kuò)散一種質(zhì)量傳遞過程。當(dāng)陰極是鉑電極時(shí)，苯甲醛從陰極端進(jìn)樣，發(fā)生還原反應(yīng)，烯丙基鹵從陽極端進(jìn)樣，如圖8(a)所示，主要得到α-型產(chǎn)物;而當(dāng)陰極是銀電極時(shí)，烯丙基鹵從陰極端進(jìn)樣，發(fā)生還原反應(yīng)，苯甲醛從陽極端進(jìn)樣，如圖8(b)所示，主要得到γ-型產(chǎn)物。作者利用合適的流動(dòng)模式和相應(yīng)的陰極材料，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物的區(qū)域選擇性合成。

Navarro小組也報(bào)道了在無溶劑凹電解槽中用石墨粉末陰極實(shí)現(xiàn)的無金屬的電化學(xué)烯丙基化反應(yīng)(反應(yīng)(7))［15］。羰基化合物和烯丙基鹵的混合物在石墨粉末陰極上還原得到高產(chǎn)率的高烯丙基醇，催化量的銀或四丁基四氟硼酸銨可以顯著提高反應(yīng)產(chǎn)率，此外，烯丙基氯的效果比烯丙基溴更好。

圖8 在兩入口微流反應(yīng)器中使用平行層流化學(xué)選擇性陰極還原

5 結(jié)束語

綜上所述，電化學(xué)合成可使Barbier-Grignard型反應(yīng)更加綠色、更加高效，條件溫和，后處理簡(jiǎn)單，為有機(jī)化學(xué)注入新的內(nèi)容以及為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來綠色合成方法。隨著有機(jī)電化學(xué)合成的日趨成熟，有機(jī)電化學(xué)合成必將在人類發(fā)展的歷史上獲得長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展并展示出更加美好的前景。

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