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南京中醫(yī)藥大學(xué)柳忠全課題組Angew:烷烴末端C-H鍵的無(wú)金屬電化學(xué)氯化

來(lái)源:南京中醫(yī)藥大學(xué)      2025-03-15
導(dǎo)讀:近日,南京中醫(yī)藥大學(xué)柳忠全課題組在Angew. Chem. Int. Ed.雜志發(fā)表了題為“Metal-free Electrochemical C-H Chlorination of Terminal Alkanes”的研究論文,報(bào)道了一種電化學(xué)和有機(jī)分子協(xié)同催化選擇性氯化烷烴末端C-H鍵的新方法。作者通過(guò)設(shè)計(jì)有機(jī)分子催化劑的空腔尺寸來(lái)確保高區(qū)域選擇性,使用廉價(jià)且易于重復(fù)使用的石墨氈電極、簡(jiǎn)單的電化學(xué)裝置和溫和的條件使反應(yīng)即使在放大到公斤級(jí)生產(chǎn)時(shí)也能保持良好的效率。課題組碩士研究生王慶許為論文第一作者,柳忠全教授為通訊作者,該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金以及南京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)一流學(xué)科項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

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正文

本世紀(jì)之初,J. A. Labinger 和 J. E. Bercaw 在《Nature》雜志上預(yù)言:C-H 活化策略終究會(huì)讓我們更高效、更清潔地開(kāi)發(fā)地球上的烷烴資源(Labinger, J. A., Bercaw, J. E. Nature2002417, 507)。無(wú)獨(dú)有偶,Robert G. Bergman教授2007年在《Nature》雜志上撰寫(xiě)的“C-H Activation” 一文中開(kāi)門(mén)見(jiàn)山地指出:C-H活化的這些反應(yīng)能帶來(lái)化學(xué)工業(yè)的革命 (Bergman, R. G. Nature 2007446, 391)。然而,幾十年過(guò)去了,這些預(yù)言依然無(wú)法成真。盡管?chē)@C-H活化的研究如火如荼,然而真正兼顧高選擇性并適用于工業(yè)化放大生產(chǎn)的方法卻仍然空白。    

針對(duì)這一長(zhǎng)期以來(lái)懸而未決的挑戰(zhàn)性難題,南京中醫(yī)藥大學(xué)柳忠全教授團(tuán)隊(duì)一直致力于運(yùn)用有機(jī)自由基化學(xué)策略來(lái)解決惰性C-H鍵的選擇性活化研究。經(jīng)過(guò)近20年的努力,該團(tuán)隊(duì)結(jié)合電化學(xué)和有機(jī)小分子協(xié)同催化,發(fā)展了一系列方法,實(shí)現(xiàn)了烷烴不同位點(diǎn)的C-H鍵的選擇性氯代。這些方法不僅具有高度的位點(diǎn)選擇性,而且均能輕易地放大到公斤級(jí)生產(chǎn)。3oC-H的選擇性氯代詳見(jiàn)Green Chem.202426, 507-512。受到前人及該研究的啟發(fā),我們提出了如下設(shè)想(圖1)。有著適宜空腔尺寸的BINOLN-OH催化劑在陽(yáng)極發(fā)生單電子氧化并脫質(zhì)子后得到相應(yīng)的N-O自由基,位阻效應(yīng)使得只有適宜化學(xué)環(huán)境的C-H鍵才能進(jìn)入空腔,與N-O自由基發(fā)生HAT,進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的C-中心自由基且再生N-OH催化劑,隨后烷基自由基與同在陽(yáng)極表面產(chǎn)生的鹵源發(fā)生鹵原子轉(zhuǎn)移(XAT),即可實(shí)現(xiàn)(sp3)C-H鍵的選擇性鹵化。此外,采用電化學(xué)方式有望解決末端(sp3)C-H鍵選擇性活化中兩個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題:1)具有特定空腔尺寸的BINOL型N-OH催化劑有可能通過(guò)分子間的弱相互作用力,穩(wěn)定在陽(yáng)極表面原位產(chǎn)生的1o(sp3)C-中心自由基,使其有足夠的時(shí)間與同在陽(yáng)極表面原位產(chǎn)生的鹵源發(fā)生XAT,從而解決1o C-中心自由基的穩(wěn)定性問(wèn)題;2) 通過(guò)電極電流推動(dòng)的電子轉(zhuǎn)移,無(wú)需使用額外的氧化劑或還原劑,只需解決電極的可重復(fù)使用問(wèn)題,則有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。    

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圖1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及催化劑合成

為此,作者設(shè)計(jì)合成了一系列催化劑,經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、條件篩選,我們實(shí)現(xiàn)了一系列烷烴的末端C-H氯代。底物涵蓋直鏈烷烴(如正己烷)、環(huán)烷烴及含硝基、氰基等官能團(tuán)分子,產(chǎn)率48%-75%。并且順利地應(yīng)用于多種生物活性分子(如丙磺舒、萘普生)的后期氯代,位阻最小位點(diǎn)優(yōu)先反應(yīng)(選擇性>95:5)(圖2)。    

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圖2. 底物拓展

為了考察該方法的工業(yè)化應(yīng)用前景,分別選用正己烷、1-溴正庚烷和苯甲酸正戊酯進(jìn)行了公斤級(jí)放大實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示,只需0.1 mol%的催化劑,即便放大到公斤級(jí)生產(chǎn),該體系仍能保持較高的產(chǎn)率和優(yōu)良的選擇性。此外,運(yùn)用該方法合成藥物吉非羅齊的新路線,不僅大幅降低成本,而且更綠色高效。隨后連續(xù)流電化學(xué)合成的應(yīng)用,進(jìn)一步證明了該體系的工業(yè)化潛力(圖3)。    

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圖3. 合成應(yīng)用

作者開(kāi)展了一系列機(jī)理研究、控制實(shí)驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)研究(圖4)。通過(guò)自由基探針實(shí)驗(yàn)證實(shí)了氯氣分子的生成,并說(shuō)明了氯氣的生成速率高于氯自由基與烯烴的加成環(huán)化速率。通過(guò)特征中間體捕獲實(shí)驗(yàn),提供了烷基末端碳中心自由基產(chǎn)生的關(guān)鍵證據(jù)。結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè),驗(yàn)證了區(qū)域異構(gòu)體副產(chǎn)物在反應(yīng)條件下的化學(xué)惰性,排除了主產(chǎn)物經(jīng)副產(chǎn)物降解重組的可能性。氘代動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)(KIE)測(cè)定結(jié)果表明,C(sp3)-H鍵斷裂過(guò)程不是反應(yīng)的決速步驟(KIE = 1)。該結(jié)果與均相體系截然不同,電化學(xué)體系中快速的C-H斷裂,可能正是該體系高位點(diǎn)選擇性的決定因素之一。    

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圖4. 機(jī)理研究


總結(jié)與展望

總之,柳忠全教授團(tuán)隊(duì)運(yùn)用電化學(xué)和有機(jī)分子協(xié)同催化,實(shí)現(xiàn)了烷烴末端C-H鍵選擇性氯代。廉價(jià)易得且易重復(fù)使用的石墨氈電極、同樣可回收的有機(jī)催化劑、簡(jiǎn)易的非分割池電化學(xué)裝置以及溫和的反應(yīng)條件,使得該體系兼顧高選擇性和可放大化,有效地解決了烷烴一級(jí)C(sp3) -H鍵活化中長(zhǎng)期以來(lái)懸而未決的挑戰(zhàn)性難題。它將為其他類(lèi)型的惰性C-H活化提供有益的參考,并讓我們對(duì)即將到來(lái)的能真正全面革新化學(xué)工業(yè)的C-H活化新方法充滿期待。              

總結(jié)

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柳忠全,教授,博士生導(dǎo)師。于蘭州大學(xué)獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位,隨后在牛津大學(xué)、南洋理工大學(xué)訪學(xué),2009年任職于蘭州大學(xué),2014年受聘為教授,博士生導(dǎo)師,2017年全職到南京中醫(yī)藥大學(xué)工作。長(zhǎng)期從事有機(jī)自由基化學(xué)、藥物合成化學(xué)以及綠色化學(xué)研究,迄今以第一作者或通訊作者在國(guó)際頂尖化學(xué)期刊Chem. Soc. Rev.; Angew. Chem. Int. Ed.上發(fā)表SCI 100余篇,IF大于5.0的論文50余篇;H因子35;10篇論文引用過(guò)百,其中一文(Org. Lett201416, 382)入選2014年中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文。2015年獲美國(guó)化學(xué)會(huì)ACS Membership Award。連續(xù)入選愛(ài)思唯爾2020、2021、2022、2023年中國(guó)高被引學(xué)者榜單。主持6項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。
主要研究方向:主要從事綠色藥物合成研究方向,通過(guò)模擬生物體系電子轉(zhuǎn)移過(guò)程,開(kāi)發(fā)綠色高效的天然產(chǎn)物/藥物合成及物質(zhì)轉(zhuǎn)化新方法;并對(duì)量豐天然產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾和改造,建立新結(jié)構(gòu)小分子資源庫(kù),針對(duì)重大疾病開(kāi)發(fā)療效顯著的創(chuàng)新藥物。

文獻(xiàn)詳情:

Metal-Free Electrochemical C-H Chlorination of Terminal Alkanes
Q. Wang, P. Fang, J. Zhao, et al. Z.-Q. Liu*
Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202504478. 
DOI:10.1002/anie.202504478

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