一、文献信息
文献题目：New Redox Strategies in Organic Synthesis by Means of Electrochemistry and Photochemistry
通讯作者：林松
DOI：10.1021/acscentsci.0c00549
期刊：ACS Central Science ( IF 18.728 )
发表日期 : 2020-07-16
二、文章简介
本文综述了电化学和光化学领域的最新技术，以及新兴的电光化学领域。这些技术利用外部刺激来激活有机分子，并注入对反应过程和选择性的特权控制，这是传统化学方法的挑战。因此，它们为已知和新的活性中间体提供了替代入口，并使以前无法想象的独特合成策略成为可能。在众多的标志中，电化学和光化学常被归为“绿色”技术，而且它们在温和的条件下可以促进有机反应，而不需要强效和过多的氧化剂和还原剂。
三、电化学
使用电化学手段最显著的优势是通过电流和电位调节进行外部反应控制，这种能力使我们能够获得化学氧化剂和还原剂本身无法达到的氧化还原电位。因此，电化学越来越被认为是促进创新合成策略和绿色化学的先驱。加上电解设备的标准化和对电化学机理的更好理解，电化学已广泛地为全世界的合成化学家所用。
（1）在高偏置电化学势下促进热力学挑战反应
电化学提供了可以超过化学氧化剂和还原剂极限的高还原和氧化电位。实际上，电化学的潜在窗口只受所使用的溶剂和辅助电解质的氧化还原稳定性的限制。充分利用这一特性，Baran和同事开发了电还原桦木反应(图1)，在该反应中，通过阴极电解直接产生高活性的溶剂化电子。
创新点：根据锂离子电池的研究，三(吡咯锂)磷酰胺(TPPA)被引入作为过充电保护剂，以控制固体电解质界面(SEI)的结构，从而防止不必要的Li+直接还原和表面钝化。替代了传统的使用液态氨溶解金属的传统桦木还原的方法。
氧化膦是有机合成中常见的副产物。由于难以激活强P，O双键，从膦氧化物还原再生膦是一项具有挑战性的转化。最近，Sevov等报道了膦氧化物在深度还原电位下直接转化为相应的膦。在这个反应中，Al被用作牺牲阳极，在电解过程中被氧化成Al3+。然后，Al3+作为路易斯酸，促进磷化氢氧化物的有效还原(图2)。
创新点：四甲基乙二胺(TMEDA)被用作添加剂，以防止阳极通过金属氧化物的形成而钝化。这些修饰对以往有关电化学氧化膦还原的相关报告提供了重大改进，从而为这一合成挑战提供了更实际和可靠的解决方案。
（2）电催化精确控制选择性
在直接电解实验中，反应的选择性由电子转移事件中的电极电位所控制。然而，电极本身很少通过特定的分子识别提供选择性，也不影响下游化学过程的途径。这个问题可以通过引入电催化剂来解决，它不仅可以降低电子转移的过电位，而且还可以在合成的反应中间体的后续转化中赋予化学选择性、区域选择性和立体选择性。
Lin等人证明了不对称电催化在烯烃氰化和氢化氰化条件下提供具有药学和生物学意义的手性腈的可能性。特别是，加氢氰化反应依赖于双电催化过程，其中一对Co(salen)和Cu[sBOX(tBu)]催化剂串联作用，在烯烃底物上安装H和CN基团(图3E−G)。电化学通过直接的单电子氧化提供了一种有效的方法来转化这两种催化剂。
创新点：为了达到高水平的不对称诱导，从丝氨酸衍生的一种新的双恶唑啉配体[sBOX(tBu)]被开发来帮助铜催化的对对体选择性C-CN的形成。这种反应适用于各种共轭烯烃，包括苯乙烯、二烯、烯炔和异丙烯。
（3）通过外部控制电输入调节反应选择性
电化学反应的一个独特的特点是可以通过调节输入的电流和电位在时间上调节反应速率。Modestino等人应用电化学脉冲技术来优化丙烯腈(7-1)到己二腈(7-5)的电化学转化(图4)。目前，由于难以平衡质量和电子传输，这一工业上最大的有机电化学过程在高电流密度下的选择性较低。
创新点：通过应用脉冲序列，其中阴极电位周期在- 3.5到0 V之间，频率为毫秒级，电极扩散层的组成可以调节，以允许衬底的周期性更新。通过保持7-1的适当浓度，反应中间体(如7-2)的过度还原所引起的质量传输问题和副反应都得到了缓解。利用人工智能预测最佳脉冲参数，与传统直流条件相比，Modestino实现了325%的ADN选择性提高和30%的生产速率提高。
（4）通过多个氧化还原事件的战略耦合建立新的反应性。
电化学的一个重要特性是在同一个反应体系中为多个电子转移过程提供并行或串联动力的能力。例如，这一特性在成对电解策略的开发中被优雅地使用，其中阴极和阳极反应都被有效地使用，或并行或收敛的方式，以促进所需的合成转化。这种策略可以最大化能源效率，并实现具有挑战性的合成转化。
如Baran及其同事开发了一种芳基卤化物的电化学镍催化胺化反应，将C - N偶联反应的范围扩大到挑战规范Buchwald - Hartwig反应的基质上(图5)。在与White、Neurock和Minteer的合作中，Baran发现阴极和阳极都在反应机制中发挥关键作用，通过提供对Ni催化剂关键氧化状态的访问。在阴极上，NiII预催化剂(8-4)被还原为NiI(8-5)进入催化循环，氧化加成产生的NiIII配合物(8-6)在与胺交换配体之前被还原为NiII中间物(8-7)。生成的中间产物8-8扩散到阳极，被氧化为NiIII (8-9)， NiIII经过还原消去生成产物并生成NiI(8-5)。
(5)利用生物电催化驱动远离平衡的转化
由于进化的完善，酶被认为能以极好的选择性驱动一些最具挑战性的化学转化。从这个意义上说，电化学也是一种极好的工具，通过提供潜在的偏差来操作远离平衡的化学过程。因此，这两者的合并，即生物电催化，有可能逆转非自发化学反应的热力学，从而从一些最稳定和最丰富的资源(如CO2和N2)中产生更高的能量和增值化合物(如燃料、精细化学品、药物)。
如Minteer设计了一个H2/α-酮酸酶燃料电池，将N2转化为增值手性氨基酸(图6)。在该体系中，甲基紫ologen (MV)被引入作为氧化还原介质，通过M V2+⇌MV•+循环促进电极和目标酶之间的有效电子转移。在阴极室中，电生成的MV•+介导了两个关键的酶活性事件:氮化酶将N2还原为NH4+， (DI)将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)转化为NADH。合成的NH4+和NADH被输入到亮氨酸脱氢酶(LeuDH)，作为酮的手性伯胺还原氨基化反应的N源和e源。
创新点：在阳极室中，NiFe氢化酶I (SHI)将H2气体氧化为H+，作为阴极反应的电子源。两个隔间由质子交换膜(PEM)隔开。酶的明智选择使高NH3利用率和高达82%的法拉第效率无需外部电力输入。
（6）用电取代传统的化学氧化剂和还原剂
电化学反应是一个平衡系统，因为牺牲的氧化剂或还原剂被消耗在对电极上，通常对目标反应(如H+)无害，或可以使用分裂的电解池方便地分离。电化学的这一特性通常增强了有机合成的原子经济性和可持续性，并最大限度地减少了阻碍预期反应活性的不良过程(例如，化学氧化剂/还原剂促进的副反应，由于使用化学计量氧化还原剂而带来的可伸缩性挑战，以及使用多相氧化还原剂时存在的催化剂激活问题)。
在镍催化的交叉亲电偶联(XEC)反应中，通常需要化学计量的还原金属如锌和锰来翻转催化剂。这样的异相体系受到几个关键问题的影响，包括催化剂活化的不稳定性（取决于金属还原剂的物理性质和质量），以及扩大反应规模的困难。最近，Reisman通过用C阴极取代Zn还原剂，成功研制出一种电化学驱动的ni催化XEC(图7)。
创新点：这种电还原系统使高效，可扩展和对映选择性的烯烃和苄基卤化物耦合。
（7）利用电分析工具了解氧化还原转化机理
电分析方法，包括伏安法、光谱电化学、水动力电极和扫描电化学显微镜，是研究涉及电子转移事件的反应机制的有力工具。最近，这些广泛应用于能源研究的分析技术在有机合成系统中的应用越来越多。例如，伏安法可以揭示活性物质的氧化还原性质，并提供难以用化学技术获取的活性中间体的动力学信息。
Minteer和Sigman利用循环伏安法(CV)和方波伏安法(SWV)研究了一系列与电催化相关的双齿N,N配体CoI配合物的热力学和动力学分布(图8)。结合多元线性回归分析和其他各种实验和理论技术，详细研究了CoI歧化反应的机理是一个不需要的催化剂分解途径。这一过程分为两个途径，通过卤素原子提取形成苄基自由基，并与合成的CoII进行自由基重组(图8B)。
（8） 技术发展推动实用电合成
合成有机电化学领域的快速创新推动了新反应器技术的发展，进一步促进了电化学方法在学术和工业有机合成中的广泛采用。例如，连续流技术已与电化学反应相结合，流动反应器是空间高效的，能够实现快速的热和质量交换，最小化电极之间的欧姆降，并促进在放大条件下的高效率和可重复性。
IKA最近与Baran合作发明了ElectraSyn 2.0，这是一种商业化的标准化电化学反应器，可促进在有机合成中广泛采用电合成方法。Lam和Hilton设计的一种全新的3d打印流动反应器，它与ElectraSyn 2.0完全集成。该反应器在醇的无电解质电化学甲氧基甲基化过程中得到了演示(图9)。
四、总结
以上实例表明，电化学为有机合成的创新和绿色化学的推广开辟了新的途径。这一领域在过去几年中取得的巨大进展给化学家们带来了许多新的挑战和机遇。例如，适应于电化学系统的高通量反应器和自动合成器将进一步扩大电有机合成的范围，拓宽其在工业中的应用。实验设计的实施可以指导和简化电有机反应的优化。通过发现新的氧化还原活性电催化剂和介质，开发具有高稳定性或新的催化活性的新电极材料，探索电位下具有挑战性的转化，创造性地使用空间和时间控制，可以进一步提高电化学方法的广泛适用性。利用电分析工具，以帮助机制驱动的反应发现。
转自：“科研一席话”微信公众号
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