电化学反应(电化学桑德迈尔反应)

“桑德迈尔反应”是有机化学中著名的命名反应，是重氮盐将芳香胺转化为芳香卤化物的重要方法。它是由瑞士化学家桑德迈尔于1884年首次报道的。DTsch。化学。ges。，1884，17，1633-1635)，现在在现代社会广泛使用。但桑德迈尔反应需要消耗化学计量的铜，带来了成本高、环境不友好等一系列限制。一百多年来，桑德迈尔反应的扩展研究不断丰富和发展，但新策略的研究仍然具有重要意义。

自从1848年发现柯尔伯阳极氧化反应以来，电化学已经发展成为一门应用广泛的重要技术。己二腈和葡萄糖酸钙的电化学生产是具有巨大产量的工业应用的例子。由于电势对电子转移的矫顽作用，一些在常规化学反应中很难获得或失去电子的反应物，在电化学中很容易获得或失去电子，进而充当氧化剂或还原剂。因此，电化学反应通过正确的设计，可以避免使用传统意义上的常规化学反应中的氧化剂/还原剂，具有绿色、环保、温和的特点。

最近北京大学莫凡阳课题组报道了电化学桑德迈尔反应，即以电为驱动力，在阴极还原芳基重氮盐得到芳基自由基，再与各种卤化试剂反应得到芳基卤代物。相关工作发表在《化学科学》上。

首先，作者分析了桑德迈尔反应的电化学实现需要克服的三个问题。首先重氮盐可以被电极上的两个电子还原形成芳基阴离子，然后进一步质子化得到还原产物；其次，芳基可以与其他芳烃(冈伯格-巴赫曼)或与另一个芳基反应生成偶合产物；第三，芳基也可以直接与电极表面相互作用，改变电极表面的物理和化学性质，降低电化学过程的效率。为了避免上述问题，作者提出了以下两种解决方案:一是通过调节电流来控制芳基自由基的生成速率，以减少副反应的发生；其次，选择具有适当活性的卤化试剂，快速捕获新生成的芳基自由基。这是在电化学过程中实现桑德迈尔反应的关键(图1)。

图一。问题和解决方案。图片:化学科学

笔者以溴化反应为例，以NBS为溴化试剂，经过尝试，最佳条件为:以体积比为5:1的MeOH/DMF为混合溶剂，Bu4NClO4为电解质，铂网电极在10 mA的恒流下电解3小时，产物2a的GC收率为83%。同时，他们设计了一个其他条件相同但没有电流的对照实验，反应的产率明显降低(20%，15小时后可提高到31%)，表明所需产物主要是通过电化学反应过程获得的。此外，作者发现二碘甲烷(CH2I2)是一种优良的碘化试剂。与溴化和碘化相比，氯化过程相对困难，因为氯的电负性较高。作者尝试了氯离子阳极氧化生成氯自由基的方法。以简单无机盐LiCl和泡沫镍为阴极，可以很好地实现氯化反应。同时，他们还将反应扩展到以NaBr为溴源的溴化反应。这种在体系中原位具有高活性的活性物种是电有机合成的一大优势。

他们还研究了底物的应用范围，碘化、溴化和氯化反应都得到了很好的产率，并且具有良好的官能团相容性。一般来说，带有吸电子基团的底物可以得到较高的产率。有些底物使用NaBr、LiCl等简单无机盐作为卤化试剂，这是这种方法的一个亮点。

图二。电化学重氮盐卤化反应底物应用范围的探讨。图片:化学科学

除了直接用重氮盐作为底物外，作者还研究了重氮盐原位生成的电化学卤化反应。他们以芳香胺为底物，在有机相中原位重氮化，然后直接加入卤化试剂进行电解，一锅法完成卤化反应，产率较高(42-83%)。一锅法还可以兼容许多官能团，如硼酸根、酰胺和吲哚。

图3。电化学苯胺卤化反应。图片:化学科学

此外，作者利用廉价的大尺寸石墨板作为阴极进行了3 g规模的放大实验，溴化和碘化分别获得了76-80%的收率，证明该反应具有较高的实用价值。

图4。用于3 g规模反应的电化学装置。图片:化学科学

最后，通过循环伏安法和一系列控制实验，特别是原位电子顺磁共振实验，详细研究了该反应的机理。EPR技术是研究自由基的重要方法。作者利用自行设计的装置原位跟踪反应过程中产生的自由基种类和浓度。如图5所示，他们将两根铂丝分别从上下两端放入平板池中，将反应溶液放入平板池中，用电子顺磁共振仪每30秒记录一次反应体系的EPR信号(反应B的EPR信号随时间的变化见图6)。因为有机自由基通常具有非常短的寿命并且不能被直接检测到，所以将PBN作为捕集剂加入到反应体系中。

作者还设计了四个原位反应以获得丰富的信息。以反应B为例，重氮盐在阴极还原得到芳基自由基，芳基自由基再被PBN捕获，得到相对稳定的自由基化合物8。根据超精细耦合常数、G值和HRMS数据，作者可以确认化合物8是芳基自由基和PBN的加合物。此外，四种活性自由基浓度随时间的变化如图7所示。通电启动时，自由基浓度明显升高，说明自由基的产生是由电流引起的。另外，从反应C和D可以看出，NBS等试剂的加入会改变反应路径。芳基自由基可以被许多试剂捕获，例如NBS、CH2I2、PBN和TEMPO。

图5。原位电子顺磁共振实验。图片:化学科学

图6。原位电子顺磁共振实验反应B的电子顺磁共振信号随时间的变化曲线。图片:化学科学

图7。原位电子顺磁共振实验中自由基浓度随时间的变化曲线。图片:化学科学

——总结——

莫凡阳研究组开发了一种电化学过程的桑德迈尔反应。该反应采用单电子还原/卤素捕获机理进行，无需化学计量的亚铜试剂，简单廉价的碱金属氯化物或溴化物盐可作为卤素源，为桑德迈尔反应提供了更加绿色和可持续的替代方案，符合和绿色化学的发展要求。反应条件温和，可兼容多种官能团。同时，芳香胺可以直接作为原位重氮化-电化学卤化反应的起始原料，进一步拓展了该方法的实用性。此外，作者实现了3 g量级的重氮盐的电化学卤化，其中廉价的石墨可用作阴极材料。最后，作者详细探讨了机理，揭示了重氮盐的电化学单电子还原/卤素捕获机理。预计这种电化学桑德迈尔反应将在未来的有机合成和工业生产中得到广泛应用。

原文

桑德迈尔反应的一般电化学策略

化学。Sci。，2018，DOI: 10.1039/C8SC03346C

导师介绍

杨沫

http://www.x-mol.com/university/faculty/8485