英文原题：Alkynes Electrooxidation to α,α-Dichloroketones in Seawater with Natural Chlorine Participation via Competitive Reaction Inhibition and Tip-Enhanced Reagent Concentration
通讯作者：Bin Zhang (张兵), Yongmeng Wu (吴永萌)
作者：Junwei Yao (姚君尉), Rong Yang (杨荣), Cuibo Liu (刘翠波), Bo-Hang Zhao (赵博航), Bin Zhang* (张兵), Yongmeng Wu* (吴永萌)
背景介绍
α,α−二氯酮是合成多种精细化学品的重要中间体，并被广泛应用于合成药物分子和天然产物。然而，传统的合成方法往往需要使用高腐蚀性的氯气或昂贵有毒的有机氯化试剂为氯源，并且在反应过程中往往需要加入过量的强氧化剂并在较高温度下进行，该过程消耗大量能源的同时会产生浪费且通常污染环境的副产物。因此，开发一种可持续、温和、高效的α,α−二氯酮合成方法具有重要意义。可再生电力驱动的电化学转化因其温和、绿色的特点，已经在有机合成化学中展现其应用前景，而海洋作为世界上最大的氯源，如何将海水中的“无机氯”通过电化学转化的方式转化为α,α−二氯酮中的“有机氯”具有重要意义和广阔的应用前景。然而，由于天然海水元素组成复杂存在大量的干扰离子，且转化过程涉及多步复杂的电子转移，实现上述转化面临巨大挑战。
文章亮点
1
利用DFT计算辅助电催化剂的筛选与设计，使用高曲率的NiCo2O4纳米锥催化剂抑制氧析出和氯析出副反应提高法拉第效率；尖端局域电场增强富集底物浓度提高反应速率
2
通过一系列自由基捕获及控制实验，证实了氯自由基触发的反应机理
3
设计实现了太阳能驱动的克级α,α−二氯酮电催化合成，并将其作为砌块合成了肾上腺皮质癌的唯一药物米托坦
4
以天然海水为电解液，实现81%产率、61%法拉第效率、44.2 mmol gcat.−1 h−1反应速率的α,α−二氯酮电合成
图文解读
选择催化剂首先要考虑的是它在海水存在下的电氧化条件下的稳定性。受电解海水氧化反应启发，具有尖晶石结构的钴基氧化物是稳定性高的电催化氧化催化剂，因此被认为是炔烃电氧化合成α,α−二氯酮的候选材料。对于高反应速率和法拉第效率的α,α−二氯酮电合成，合适的电催化剂应考虑三个基本因素：(1) *OH生成(* + OH− − e− → *OH)的活化能低，但进一步失去电子得到*O的ΔG(*OH + OH− − e− → *O + H2O)高，以抑制氧析出反应；(2) 不连续的Cl吸附位点抑制氯气析出；(3) 提高催化剂表面离子浓度，加快传质过程，提高反应速率。针对上述分析，通过DFT理论计算得出四种钴基尖晶石材料中，NiCo2O4具有最低的ΔG(* + OH− − e− → *OH) 和最高的 ΔG(*OH + OH− − e− → *O + H2O)，有利于产生合成α,α−二氯酮所需的*OH且抑制氧析出副反应，同时Ni位点更易吸附Cl而Co位点更易吸附OH，不相邻的吸附位点有利于抑制Cl*的耦合，抑制副反应氯气析出；而高曲率的材料则有利于在尖端富集Cl−和OH−从而进一步提高反应速率。
图1. 电催化剂筛选，设计和表征。(a) 不同催化剂材的ΔG(* + OH− − e− → *OH) 和 ΔG(*OH + OH− − e− → *O + H2O)。(b) OH和Cl在Ni和Co位点的吸附能。(c) 天然海水中的主要阴离子浓度。(d) 1.30 V电位下不同催化剂的电合成性能。(e,f) 产物的1H NMR和GC−MS。(g) 尖端半径为5 nm（顶部）和12 nm（底部）的NiCo2O4样品表面的电场。(h,i) NiCo2O4纳米锥表面Cl−和OH−的浓度分布。(j) NiCo2O4纳米锥的SEM图像。
通过对比四种催化剂的电合成α,α−二氯酮性能佐证了DFT理论计算结果，NiCo2O4的反应速率和法拉第效率均较其他三种材料更优。同时合成了高曲率的NiCo2O4纳米锥并测试其电合成性能，结果表明NiCo2O4纳米锥在天然海水中能实现81%产率、61%法拉第效率、44.2 mmol gcat.−1 h−1反应速率的α,α−二氯酮的电合成性能均优于NiCo2O4纳米片。Cl 2p的XPS图谱表明反应后的NiCo2O4纳米锥表面Cl含量更高且以NiCo2O4纳米锥为催化剂的反应后电解液中Cl−浓度更低，说明反应过程中消耗的更多的Cl−，以NiCo2O4纳米锥为催化剂的反应后后电解液pH更低，说明反应过程中消耗的更多的OH−，EIS测试结果表明NiCo2O4纳米锥的电荷传输速率更快，上述结果验证了NiCo2O4纳米锥高反应活性的起源。
图2. 电合成性能。(a,b) 电位依赖的法拉第效率，产率和反应速率。(c) NiCo2O4纳米锥时间依赖的产率。(d) NiCo2O4纳米锥循环稳定性。(e) 反应后NiCo2O4纳米锥和NiCo2O4纳米片Cl 2p XPS图谱。(f) 电场导致的溶液中Cl−浓度下降。(g) NiCo2O4纳米锥和NiCo2O4纳米片的EIS图谱。
一系列自由基捕获及控制实验验证了Cl自由基触发、Cl和OH自由基加成的反应机理。在标准反应体系中加入自由基捕获剂，α,α−二氯酮产率显著下降，说明反应过程涉及自由基过程；准原位EPR结果表明反应过程中产生了Cl和OH自由基，进一步通过高分辨质谱验证自由基中间体，表明了反应过程中除了Cl和OH自由基外，还有两种C自由基生成；H218O同位素标记实验证明了α,α−二氯酮中的O来着与水中，于是研究团队提出了一种Cl自由基引发，Cl和OH自由基加成的反应机理。
图3. 机理研究。(a) 0.5 M Na2SO4的LSV曲线。(b) 自由基捕获剂控制实验。(c) EPR捕获自由基实验。(d-g) 自由基中间体的高分辨质谱。(h) 18O标记产物。(i) 可能的反应机理。
最后研究团队设计组装了太阳能驱动的电合成系统，实现了克级α,α−二氯酮的合成，表明了该方法的可持续性和工业化前景，并以α,α−二氯酮为砌块，进一步合成了获FDA批准的治疗肾上腺皮质癌药物——米托坦。该方法的普适性良好，对与给电子基团、吸电子基团、易氧化的醛基基团以及内炔均能得到较高分离收率。
图4. 普适性研究。(a) 太阳能驱动的电合成系统示意图。(b) 太阳能驱动的电合成系统照片。(c) 克级α,α−二氯酮的合成。(d) 以α,α−二氯酮为砌块，进一步合成米托坦。(e) 底物拓展。
总结与展望
该工作实现了以天然海水为氯源，实现了一种可持续、温和、高效的α,α-二氯酮合成方法，并进一步以其为砌块合成了肾上腺皮质癌的药物。通过对反应机制的理解结合DFT理论计算，精准地设计合成电催化剂材料以抑制副反应并提高局域反应物浓度。该工作不仅提供了一种可持续合成有机氯化物的策略，更为直接利用海水资源提供了新的途径。
通讯作者信息
吴永萌，天津大学理学院化学系助理研究员、博士后（全国博新）（合作导师：张兵教授），已获天津大学英才副教授职位。研究方向：水为氢/氧源的绿色电合成。
https://orcid.org/0000-0003-2778-6018
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
