电催化醇脱氧还原反应研究.docx

电催化醇脱氧还原反应研究青岛科技大学刘嘉仪，李骁(青岛科技大学化学与分子工程学院，山东省青岛市266000)(Synthesis,2023,55,DOI:10.1055a-2013-5865)郭维斯副教授，刘夕升讲师中文摘要：醉类及其衍生物便宜易得，是一种常见的化工原料。然而，由于C-O键具有较高的键能，C-O键的断裂一直是具有挑战性的研究课题。该文章利用绿色的电催化技术，建立了温和条件下无还原剂、无过渡金属参与的碳氧健断裂新方法，实现了不同类型醇类化合物的脱氧还原。与现有方法相比，该方法条件温和、底物范围广，伯醇、仲醇、叔醇以及二芳基丽类化合物均可进行C-O键断裂，且该方法适用于木质素降解。英文摘要：Alcoholsandtheirderivativesarecheapandeasytoobtainandareacommonchemicalrawmaterial.However,duetothehighbondenergyandstablestructure,thebreakingofC-Obondshasbeenachallengingresearchtopic.Inthispaper,anewmethodforcat>on-oxygenbondbreakingwithoutreducingagentandtransitionmetalparticipationundermildconditionsisestablishedbyusinggreenelectrocatalytictechnology,andthedeoxyreductionofdifferenttypesofalcoholcompoundsisrealized.Comparedwiththeexistingmethods,thismethodhasmildconditionsandawiderangeofsubstrates,andC-Obondbreakingcanbeperformedwithprimaryalcohols,secondaryalcohols,tertiaryalcoholsanddiarylketones,andthismethodissuitableforlignindegradation.关键词：有机电合成：脱氧：醇：还原国家级大学生创新创业训练计划支持项目O作者简介：刘嘉仪（2002）、女，湖南长沙人，青岛科技大学2020级应用化学专业，主要从事有机电合成研究。李骁（2（X）2-）、男，江西赣州人，青岛科技大学2020级化学专业，主要从事有机电合成研窕。引言静类及其衍生物便宜易得，是一种常见的化工原料。在合成化学中，将静类化合物转换成烷始有重要应用。然而，由于C-O键具有较高的键能，结构稳定，将醇类化合物直接还原为相应的烷烬极具挑战。通过查阅文献，我们发现现有醇类化合物脱氧还原的方法需要使用还原剂且反应条件剧烈，如众所周知的Barton-McCombie脱羟基反应，需要将羟基首先转化为黄原酸酯，而且需要使用毒性较大的有机锡试剂,反应条件苛刻并且对环境不友好。目前已报道用于C-O键活化的电合成方法依赖于醇的衍生化。通过衍生化反应生成酸、磺酸盐、和含磷化合物，再通过还原来制备相应的烷燃。这类方法底物适用范围较窄，只有仲静或叔醇类底物能够反应。针对上述C-O键断裂存在的问题，我们团队利用电化学还原策略，成功构建了一种温和、绿色断裂C-O键的新方法，并可用于木质素的降解。木质素是自然界中第二大生物质资源,探索开发木质素的应用对缓解能源危机和开辟精细化工产业链具有重要的战略意义。有机电合成利用电子代替有毒性的氧化剂和还原剂而受到广泛关注。另外，利用电合成的方法还可以实现传统方法不能实现的各种新反应。过去的几十年见证了有机电合成的复兴，除阳极氧化外，电化学还原最近也备受关注。与传统的脱氧方法相比，电化学还原反应具有条件温和不使用有毒还原剂的优点。1994年，Obmori课题组报道了在过量活泼还原剂磷化氢存在下醇类化合物的电化学脱羟基反应。2011年MarkO团队用二苯基次瞬酸酯辅助进行电化学脱氧。接着，该团队发展了一种用3当量甲苯甲酸甲酯作为活性基团直接断裂伯醇C-O键的新方法向。已有的研究结果表明，醇类化合物的直接电还原脱氧仍面临巨大挑战。2018年，FleiSCher课题组报道了以原位生成的把-瞬络合物为催化剂，甲酸作为还原剂的条件下节醇的脱氧还原。该方法只需要催化剂负载量低至1mol%的杷和少量的还原剂，就能以较高的产率获得相应的脱氧还原产物。2018年，Doyle课题组利用光催化在三苯基磷存在下，实现了CO键还原断裂，机理表明，三苯基磷自由基阳离子与氧原子结合，接着以三苯基氯磷的方式脱除，实现醇类化合物的脱氧还原。但是，该策略底物范围适用性较窄，只能还原节醇类化合物，而且反应时间较长。2021年，DUffy课题组通过采用三苯基磷、碘以及咪嗖催化静类化合物温和的脱氧还原。该方法对于伯醇、叔醉以及含有杂芳烧的醉类化合物都有良好的收率，同时也具有良好的官能团耐受性。以上方法均需要使用化学还原剂进行C-O键的断裂。据我们所知，通过绿色电催化实现醇类化合物脱氧还原的方法还未见报道。HFleischer'swork?HPd(acac)2,Ligand.MeSO3Hrx*s017r2、HCOOH1DCE1100,18hDuffy's workDoyle'sworkHRl 人 R2_ 2. MidazoleTHF, 16 hOHJR2Ph3p (P-OMeC64)2S2, 2,4,6-ColIidirg lr(dFMeppy)2dtbbpyPF6PhMe, 24 h, 34 W, blue LEDsHRl 人 R2Our workOHRl 人 R2A(+)flhSn(-)AICI3 (0.4 equiv.)1 nstant current4 reductant-free broad substrate scope / mild conditions图1醉类化合物脱氧还原实验过程使用44二甲基二苯基甲醇作为模板底物，通过大量电化学反应条件筛选，包括电极、电流、电解质、溶剂等，确定了最优实验方案：以铝片为阳极，锡片为阴极，AIa3为电解质，以乙睛(MeCN)和乙酸乙酯(EtOAc)为混合溶剂，在N?保护下恒流15mA室温反应，得到产物二对甲苯基甲烷，产率为96%(表1，条件1)。使用石墨棒作阳极，或者使用石墨毡作阴极，反应产率有所降低(条件23)。更换其他溶剂,如乙酸乙酯、乙睛或二氯甲烷(DCM),产率也有所降低(条件4-6)。升高或降低AlCI3的量(条件7和8),或更换其他电解质，如TBABF4或TBAPF6,反应产率均有所下降(条件9和10)。除此之外，降低反应电流或在空气中进行反应，得到的产率均略有降低(条件11和12)。不通电则反应不能发生。表1反应条件的优化N2,15mA序号与标准条件的变化分离产率3(%)1无962石墨棒作阳极803石墨毡作阴极284以MeCN作溶剂785以EtOAc作溶剂616以DCE作溶剂427AlCh(0.6equiv)728AlCh(0.2equiv)589以TBABF4作电解质4010以TBAPF6作电解质4611电流为10mA8512空气中进行2713无电流O反应条件：AI做阳极，Sn做阴极，恒流15mA,4,4二二甲基二苯基甲醇(0.4mmol),AlCl3(0.4eq),TBAClO4(1.0eq),MeCN(3.75mL),EtOAc(1.25mL),N2.确定最佳反应条件后，我们研究了脱羟基反应的底物范围。在温和条件下许多不同取代基的二芳基仲醇均可高产率转换成相应脱氧产物，含有溟、烷基、酯基基团单芳基仲醇也可在此条件下发生脱羟基反应。(1)合成4,4：二甲基二苯基甲烷实验现象为从白色浑浊到灰色浑浊，反应4h,用水淬灭反应，乙酸乙酯萃取，柱层析提纯，得到产物4,4；二甲基二苯基甲烷。以下是该产物的1HNMR谱图和13CNMR谱图。*)l图2产物的IHNMR谱图图2是产物的IHNMR谱图，测试溶剂为笊代氯仿。谱图中3=2.39处为苯环对位甲基的特征吸收峰,有6个H, 3 = 3.98处的峰是亚甲基的特征吸收峰。 = 7.157.26处为苯环上H的特征吸收峰，有8个H<,crGI图3产物的,3CNMR谱图图3是产物的3CNMR谱图，测试溶剂为笊代氯仿。谱图中=21.1处为苯环对位两个甲基的饱和碳的特征吸收峰，=128.8-138.5为芳环上碳的特征吸收峰，=41.2处的峰则是亚甲基中碳的特征吸收峰。核磁碳谱中总共有15个碳原子，其个数和化学位移与化合物二对甲苯基甲烷结构相吻合。在完成条件优化后，我们选取了7种二芳基仲醇进行脱羟基反应，除双-4-甲氧基苯基甲烷因自身偶联产生二聚体而产率较低外，其余均有相对较高的产率。(2)合成1-溪-4-乙基苯AwS6。-NJAICI3(0.16eq),TBAPF6(Ieq)1DCE:THF=4:1(5mL)1JBrBr实验现象为从白色浑浊到灰色浑浊，反应4h,用水淬灭反应，乙酸乙酯萃取，柱层析提纯，得到产物1滨4乙基苯。902 L OWL 9zL>006fl<<三0图4产物I-溟4乙基苯的1HNMR谱图图4是化合物I-澳-4-乙基苯的核磁共振氢谱，测试溶剂为笊代氯仿。从谱图可以看出，化合物I-澳4乙基苯在化学位移为=1.22处为一个t峰，含有3个氢原子；=2.60处为一个q峰，含有2个氢原子,为与苯环相连的乙基的H的特征吸收峰。=7.4()7.()7处为两个d峰，共有4个氢原子，是苯环上的H的特征吸收峰。核磁氢谱中总共有9个氢质子，其个数和化学位移与化合物4-乙基苯甲酸甲酯结构相吻合。W6 二 1 SRV*oT 我？9+ZQL6Qetfce熏SiIIIWItteIl*s3UemlIeIBAaowwsooAAo(i<<«)图5产物I-漠4乙基苯的,3CNMR谱图图5是化合物I-澳-4-乙基苯的核磁共振碳谱，测试溶剂为笊代氯仿。在核磁共振碳谱中，=15.6和50.1PPm为与苯相连的饱和碳的特征吸收峰。3=128.4T32.6ppm为芳环上的碳的特征吸收峰。核磁碳谱中总共有8个碳原子，其个数和化学位移与化合物1滨4乙基苯结构相吻合。为了进一步阐述这个还原方法的实用性，我们也研究了酸类化合物和酮类化合物的电化学还原。2019年，Cheng课题组报道了直接在恒压下用氨作氢源电解还原二芳基酮脱氧H叫最近，Wang团队用电化学方法在5倍当量三苯基瞬存在下进行埃基化合物脱氧UL在我们的标准反应条件下，一些二芳基酮成功在温和条件下高产率转化成二芳基甲烷。(3)用二苯甲酮合成二茉甲烷AI(+)Sn(一),10mA,N2AICI3,TBAPF61DCE:THF=4:1用铝作阳极，锡作阴极，实验溶剂为DCE:THF=4:1,恒流5mA,氮气保护条件下进行反应。实验现象为从白色浑浊到灰绿色浑浊，电压为2.04.9V,反应IOh,最后用EA和水萃取。用PE装填层析柱，PEiEA=100:!柱层析提纯，得到产物二苯甲烷。69Z8OBgZ4图6是二苯甲烷的核磁共振氢谱，测试溶剂为笊代氯仿。从谱图中可以看出，化学位移为=3.974处为一个S峰，有2个氢原子，为与苯环相连的亚甲基上的H的特征吸收峰：6=7.289-7.172处为多重峰,有10个氢原子，是苯环上的H的特征吸收峰。核磁氢谱中总共有12个氢，其个数和化学位移与二苯甲烷结构相吻合。SN391.tSiftLOtf>Ort5888°I7/I图7化合物二苯甲烷的,3CNMR谱图图7是二苯甲烷的核磁共振碳谱，测试溶剂为笊代氯仿。在核磁共振碳谱中，化学位移为=42.0ppm为与苯环相连的亚甲基的特征吸收峰。=141.1-126.1PPm为苯环上的碳的特征吸收峰。化学位移与二苯甲烷结构相吻合。实验结果与讨论Al(+)11Sn()R1XZSXR2AICl3(0.4equiv.),TBAClO4(1.0equiv.)15mAMeCNZEtOAc=3:1,N2,RT.4h仲醇类化合物叔醇类化合物018.85%酮类化合物WQCCOMejan噜COo19.85%20.73%21.68%22,77%醛类化合物CCOQn23,63%24.73%图8底物拓展在最优条件下，我们探索了醇类化合物脱氧还原反应的底物范围（图8）。苯环上有不同卤素取代基（F、ChBr）.供电子基（OMe）和吸电子基（CooMe）取代的化合物均成功实现了醇类化合物脱氧还原（伯醇和叔醇取代的反应相容性也很好（13-16）o值得一提的是，懒类化合物和酮类化合物的底物也顺利以中等产率得到相应的脱氧还原产物（19-25）o探索反应机理也有重要作用。由于动力学因素（空间位阻）和热力学因素（稳定性）都会影响反应的进行。为了进一步研究反应机理，我们通过循环伏安实验确定了氯化铝的作用（图9）,在MeCN:EA=3:1中，玻碳作为工作电极，的丝作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，扫描速率为IoomVS7。0.05(VIU) Ho0031015202530O 4 A A A A 。根据上述实验结果, 极失去电子变为铝离子, 电子，转化成碳负离子,-0.35-3.025-2.0-1.5-1.0-0.50.0Potential（VvsRef）图9循环伏安图图10可能的反应机理我们利用循环伏安法确定AlCb的作用，提出了可能的反应机理（图10）：铝电与溶液中氯离子形成氯化铝后，再与醇类化合物形成络合物。络合物在锡电极得得到氢离子形成最后的还原产物。结论本文建立了一种电催化温和条件下醇类化合物脱氧还原新方法，合成了25个脱氧还原产物，显示了该方法的应用潜力。循环伏安实验表明该反应可能经历了络合物中间体的反应机制。与传统合成方法相比,本项目使用绿色高效的电还原反应体系，通过使用清洁无痕的电子作为氧化还原剂，无需使用过渡金属和额外的还原剂，反应条件温和，获得了高附加值的芳点产品。且本方法具有广泛的底物适用性，各种类型的醇和酮类化合物均可被还原，也可实现木质素的脱氧还原。致谢基金资助：国家大学生创新创业训练计划项目(2)。参考文献：1 Barton,D.H,R.;McCombie,S.W.J.Chem.Soc.,PerkinTrans.1,1975.1574.2 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