電化學條件下Barbier-Grignard型反應*

查正根 張麗 汪志勇

(中國科學技術大學化學與材料科學學院 安徽合肥230026)

有機電化學合成是一門有機合成與電化學技術相結合的邊緣學科，主要研究有機分子或催化媒質在電極/溶液界面上電荷相互傳遞，電能與化學能相互轉化及舊鍵斷裂、新鍵形成的規(guī)律［1］。

與傳統化學合成方法比較，有機電化學合成具有以下優(yōu)勢:①反應中不需要添加有毒或者危險的氧化劑和還原劑，電子就是反應試劑。因此合成產物易分離和精制，可大幅降低環(huán)境污染。②在電合成過程中，可通過改變電極電位合成不同的有機產品;同時也可通過控制電極電位，使反應按預定的目標進行，從而獲得高純度的有機產物，產率和選擇性均較高。③在反應體系中，電子轉移和化學反應這兩個過程可同時進行，從而能縮短合成工藝，減少設備投資。④反應可在常溫、常壓下進行，一般不需要特殊的加熱和加壓設備，不僅可以節(jié)省較多的能源和設備，而且操作簡單，使用安全。⑤有機電合成的裝置具有通用性，在同一電解槽中可進行多種合成反應。改變某一電極材料或反應液就能合成某種新的有機產品，尤其適合于多品種、小批量的生產部門。⑥在有機電化學合成過程中，可任意改變氧化或還原反應的速度，亦可隨時終止或起動反應［1］。

近30年來，水介質中碳碳鍵的形成一直是研究的熱點，其優(yōu)越性也逐漸被人們所認知［2-3］。在已發(fā)現的水相金屬有機反應中，水相烯丙基化反應是研究得較多和較深入的反應之一。該類反應由于發(fā)展速度較快，新的金屬及金屬體系參與的烯丙基化反應不斷被報道［4］。參與烯丙基化反應的金屬有:鋅，錫，銦，鎵等。該類反應的缺點無法脫離大量金屬的參與，導致后處理復雜及對環(huán)境的污染。在電化學條件下，金屬可在陰極以不同的形貌析出，并能重復利用，因此電化學合成為該類反應提供了廣闊的應用前景。

本文簡要概述電化學在有機相和水相Barbier-Grignard型反應中的研究與應用。

1 電化學條件下In促進的Barbier-Grignard反應

2001年，Hilt［5］首次將電化學應用于有機溶劑中的烯丙基化反應，實現了電化學產生高活性的低價銦(Ⅰ)催化形成碳碳鍵(反應(1))。作者提出的反應機理如圖1所示。首先是在陽極溶出鋁金屬，保持新鮮的表面，并將In3+還原成In，In經過在陽極表面的再氧化過程轉化成高活性的In+，從而氧化加成到烯丙基溴上實現烯丙基化反應。這是首次實現的電化學產生高活性的In+并成功地應用到了烯丙基化反應中，反應的底物可以是醛、酮和羧酸酯。

圖1 Al電極上產生In+促進的烯丙基化反應

隨后，2003年Hilt等［6］實現了三組分串聯成對電解合成保護的高烯丙基醇(圖2)。作者將反應(1)體系中的陰極鉑電極換成銦電極，實現了陰極上In3+的直接還原，從而參與烯丙基化反應產生活性中間體1;同時，陽極上四氫呋喃氧化成活性中間體2，從而進一步與活性中間體1發(fā)生反應生成保護的高烯丙基醇3。

圖2 In促進的被保護的高烯丙醇串聯成對電合成

2 電化學條件下Sn促進的Barbier-Grignard反應

本課題組在已有的關于金屬錫參與的烯丙基化反應的基礎上，2005年首次報道了可循環(huán)的電化學原位產生金屬錫參與水相烯丙基化反應(反應(2))［7］。此反應中的錫和水都可以循環(huán)利用，而且電極無消耗。芳香醛和脂肪醛都能被烯丙基化，含有乙縮醛的底物不會水解生成副產物，巴豆基溴參與的反應主要生成γ區(qū)域選擇性產物。

2010年，我們在上述報道的基礎上實現了成對電合成羰基化合物和高烯丙基醇的反應，如圖3所示［8］。利用自制的鹽橋將兩個分開的電解池連接起來，陰陽兩極同時發(fā)生反應，從而使陰陽兩極有效利用，相比于之前只利用了陰極的體系電流效率大大提高。具體反應是:在陽極，Br-氧化生成Br2，從而氧化醇生成羰基化合物;同時，在陰極Sn2+還原成單質Sn，從而催化羰基化合物和烯丙基溴發(fā)生烯丙基化反應。為了避免有機物在電極上發(fā)生副反應，體系分成兩相，有機物底物用二氯甲烷溶解后處在下層，無機鹽溶解在水相中處于上層，電極插在上層的水相，采用電解和攪拌交替進行的方式以完成反應。

圖3 在分開電解池中羰基化合物和高烯丙醇成對電合成

由于反應過程中生成了有毒的單質溴，所以我們對反應體系進行了改進，在進一步的優(yōu)化條件過程中，實現了芐醇在陽極上的直接電氧化，從而避免了溴的使用，體系也由之前的兩相簡化為單一水相，如圖4所示［9］。

圖4 在分開電解池中羰基化合物和高烯丙醇成對電合成優(yōu)化

2011年，我們課題組在上述報道的基礎上實現了電化學串聯反應:在水相中一鍋法從醇合成高烯丙基醇(反應(3))。如圖5所示［10］，醇在陽極上氧化成羰基化合物，同時Sn2+在陰極上原位還原成Sn，從而催化羰基化合物和烯丙基溴發(fā)生烯丙基化反應。這是首次實現的電化學串聯反應從醇合成高烯丙基醇，反應中的陽極和陰極都被有效利用，同時烯丙基化反應的底物類型由傳統的羰基化合物拓展到了醇類物質。

研究表明，在不同電極上，析出不同形貌的Sn對醇的烯丙基化反應以及反應機理有影響。在石墨電極上析出的毛絨狀Sn比在鉑電極上析出的棒狀Sn活性高，且反應產率也高(圖6)。

圖5 在未分開電解池中由醇電合成高烯丙醇

圖6 Sn的SEM照片

3 電化學條件下Zn促進的Barbier-Grignard反應

2009年，Huang等［11］報道了在氨水中Zn促進的電化學烯丙基化反應(反應(4))。在堿性條件下，利用犧牲陽極產生Zn2+，Zn2+在陰極上再析出一定形貌的活性Zn，從而參與反應。在這個反應體系中，犧牲陽極時消耗的Zn是化學計量的。緊接著，2010年，該小組報道使用催化量的鋅實現了該反應［12］。在陰極室使用的是偏酸性的氯化銨溶液，這樣鋅陰極就會溶解一些到溶液中去釋放出Zn2+，Zn2+會在通電后從陰極上還原出來;在陽極發(fā)生的是電解水的反應，釋放出氫離子，氫離子透過離子交換膜維持兩邊的pH平衡，也有利于鋅電極的進一步溶出。總的結果是，每次反應結束后，將鋅陰極拿出來稱量，結果是消耗了催化量的鋅。這較之以前犧牲陽極的體系有所改進。在此基礎上，Huang等［13］在2011年報道了水相中電化學產生納米鋅促進的簡單亞胺的烯丙基化反應(反應(5))。反應的類型也從烯丙基化反應拓展到部分鹵代烴的烷基化反應(反應(6))。

R1=芳基，烷基;R2=芳基，烷基;R3=氫，甲基;產率:62%～97%

4 電化學無金屬條件下促進的Barbier-Grignard反應

由于大量使用金屬鹽和金屬電極，對環(huán)境造成很大負擔。Hilt小組嘗試了不用金屬促進的電化學反應，結果實現了DMF保護的高烯丙基醇的串聯電合成，如圖7所示［6］。首先烯丙基溴在陰極上得到電子生成烯丙基陰離子，與芳香醛反應生成中間體4，在陽極，DMF氧化生成亞胺正離子5，親核中間體4遇到親電中間體5生成了DMF保護的高烯丙基醇6。作者指出，親核性的烯丙基負離子并沒有與親電性的亞胺正離子5反應生成產物7，即使是在不加芳香醛的條件下情況也是一樣。作者認為這是因為電解產生的活性中間體(如烯丙基陰離子)是吸附在電極上的，從而不容易反應，抑或是這些電解產生的活性中間體在溶液中穩(wěn)定性很差的緣故，可以得到中等產率的產物。

圖7 甲酰胺保護的高烯丙醇串聯成對電合成

Fuchigami小組也報道了利用兩入口微流反應器化學選擇性實現羰基化合物的烯丙基化反應(圖8)［14］。醛和烯丙基鹵兩種反應物分別從兩個入口進入反應器，反應器足夠小，兩種溶液界面很穩(wěn)定，以致兩種溶液界面只存在擴散一種質量傳遞過程。當陰極是鉑電極時，苯甲醛從陰極端進樣，發(fā)生還原反應，烯丙基鹵從陽極端進樣，如圖8(a)所示，主要得到α-型產物;而當陰極是銀電極時，烯丙基鹵從陰極端進樣，發(fā)生還原反應，苯甲醛從陽極端進樣，如圖8(b)所示，主要得到γ-型產物。作者利用合適的流動模式和相應的陰極材料，實現了產物的區(qū)域選擇性合成。

Navarro小組也報道了在無溶劑凹電解槽中用石墨粉末陰極實現的無金屬的電化學烯丙基化反應(反應(7))［15］。羰基化合物和烯丙基鹵的混合物在石墨粉末陰極上還原得到高產率的高烯丙基醇，催化量的銀或四丁基四氟硼酸銨可以顯著提高反應產率，此外，烯丙基氯的效果比烯丙基溴更好。

圖8 在兩入口微流反應器中使用平行層流化學選擇性陰極還原

5 結束語

綜上所述，電化學合成可使Barbier-Grignard型反應更加綠色、更加高效，條件溫和，后處理簡單，為有機化學注入新的內容以及為實驗教學帶來綠色合成方法。隨著有機電化學合成的日趨成熟，有機電化學合成必將在人類發(fā)展的歷史上獲得長遠的發(fā)展并展示出更加美好的前景。

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