不同電極對電化學(xué)氧化實現(xiàn)苯乙酮雙β-二甲酯化的影響

高惠惠

【摘 要】 有機(jī)電化學(xué)合成是直接利用電子的得失來實現(xiàn)氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)有機(jī)合成，得到目標(biāo)產(chǎn)物的過程，也是一門將有機(jī)合成化學(xué)和電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科。在此體系中，通過電化學(xué)有機(jī)合成，成功地實現(xiàn)了苯乙酮α位sp3 C-H的雙官能團(tuán)化，而且該方法反應(yīng)條件溫和，常溫常壓下就能進(jìn)行，不用額外添加催化劑和氧化劑，后處理也比較簡單，符合綠色化學(xué)的要求。在文中主要研究了不同電極例如傳統(tǒng)石墨電極、修飾石墨電極、鉑電極等對電化學(xué)氧化實現(xiàn)苯乙酮的雙β-二甲酯化的影響，并且對反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，得到較高產(chǎn)率的目標(biāo)產(chǎn)物。

【關(guān)鍵詞】 有機(jī)電合成;電化學(xué)氧化;不同電極;苯乙酮的雙β-二甲酯化

【中圖分類號】 O621.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0097-03

利用電化學(xué)方法來實現(xiàn)有機(jī)化合物的合成被稱為有機(jī)電化學(xué)合成，它是通過電子得失來實現(xiàn)有機(jī)化合物的氧化與合成。有機(jī)電化學(xué)合成是一門涉及電化學(xué)、有機(jī)化學(xué)及化學(xué)工程等學(xué)科的交叉學(xué)科。

傳統(tǒng)的有機(jī)合成方法大多都需要金屬催化劑或者氧化劑的加入，操作復(fù)雜，不符合綠色化學(xué)的要求。電化學(xué)合成只消耗電力，是通過電子的轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)化合物的氧化與還原，不需要額外添加氧化還原試劑，其成本和對環(huán)境的影響都具有巨大的優(yōu)勢。

自從1834年著名的有機(jī)電解反應(yīng)“柯爾貝（Kolbe）反應(yīng)”被發(fā)現(xiàn)后，有機(jī)電化學(xué)合成作為一種有用的有機(jī)合成方法有了很大的發(fā)展。電化學(xué)-有機(jī)合成方法學(xué)是最近的一個新熱門，因其過程可控、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)作為重要的合成手段之一受到越來越多的關(guān)注，并取得了一系列的研究成果，例如Baran課題組報道了在碳和鎳電極下選擇性地實現(xiàn)了亞甲基和次甲基C-H鍵的官能團(tuán)化。林松課題組報道了在電化學(xué)催化下，可立體選擇性地將烯烴直接轉(zhuǎn)化為鄰二氯取代物。雷愛文課題組報道了電極作用下吲哚與硫酚的脫氫偶聯(lián)反應(yīng)高效構(gòu)建C-S鍵，這是首例結(jié)合電化學(xué)的C-S鍵構(gòu)建反應(yīng)。徐海超課題組通過電化學(xué)氧化首次實現(xiàn)了從N-H鍵制備亞胺類氮自由基的方法，并將其應(yīng)用于苯并咪唑及吡啶并咪唑的合成中等。這些例子都是相對于傳統(tǒng)的化學(xué)方法，更綠色有效的合成目標(biāo)分子，實現(xiàn)有機(jī)合成方法學(xué)的新突破。

電極材料在有機(jī)電化學(xué)合成中會直接影響有機(jī)反應(yīng)的產(chǎn)率，甚至?xí)Q定有機(jī)反應(yīng)體系的成敗。不同材料的電極因其表面性質(zhì)的差異，可以有選擇性地合成一些化合物。由此可見，在有機(jī)電合成中，研制和篩選合適材料的電極是很重要的。因此，設(shè)計了不同的電極材料，研究了不同電極材料對電化學(xué)氧化實現(xiàn)芳香酮的雙β-二甲酯化的影響。本文在之前工作的基礎(chǔ)上，研究了傳統(tǒng)石墨電極、修飾的石墨電極、鉑電極對苯乙酮的雙β-二甲酯化的影響，發(fā)展了一種在溫和的條件下，實現(xiàn)苯乙酮sp3CH雙官能團(tuán)化的反應(yīng)。這個研究具有非常重要的意義，開拓了sp3CH雙官能團(tuán)化的反應(yīng)類型。

1實驗部分

1.1實驗試劑

苯乙酮、碘化鉀、四丁基碘化銨、四丁基溴化銨、碘化鈉、丙二酸二甲酯、丙二酸二乙酯、磷酸鉀、氫氧化鋰、氫氧化鉀、氫氧化鈣、碳酸鈉、碳酸鉀、三乙胺，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2實驗設(shè)備及測試儀器

恒電位儀：上海雷磁恒電位儀DJS-292雙顯恒電位儀

NMR：Bruker-400MHz（1H NMR）和100MHz（13C NMR）核磁共振儀

GC-MS：島津QP5005系列氣質(zhì)聯(lián)用分析儀

1.3電極制備

傳統(tǒng)電極：石墨電極

修飾電極的制備：以Nafion溶液為黏合劑，把修飾材料涂覆電極表面上，達(dá)到修飾電極的目的;也可以用電還原沉積的方法來制備，改變電流、電壓、反應(yīng)溶劑、時間、溫度等條件，調(diào)控納米粒子的粒徑，不同形貌的納米顆?？梢源呋煌挠袡C(jī)反應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)反應(yīng)選擇性的調(diào)控。

Pt電極：1.5×1.5cm2

2結(jié)果與討論

2.1電化學(xué)氧化實現(xiàn)苯乙酮的雙β-二甲酯化的具體實驗操作（傳統(tǒng)石墨電極）

以苯乙酮和丙二酸二甲酯為底物，在電化學(xué)條件下實現(xiàn)苯乙酮的雙β-二甲酯化的實驗操作步驟具體為圖1：

依次將苯乙酮（0.5mmol）、丙二酸二甲酯（2mmol）、碘化鉀（1mmol），加到非分開的電解槽中，以甲醇（8mL）作為溶劑，以傳統(tǒng)石墨電極為工作電極，在恒電流條件下電解3-5個小時，電流為20mA，同時使用薄層色譜法（TLC）跟蹤反應(yīng)，直至原料完全反應(yīng)消失后，關(guān)閉恒電位儀，停止該反應(yīng)，先旋去溶劑甲醇，然后加入10mL的純水，加入乙酸乙酯萃取（3×10mL），合并有機(jī)相并用無水Na2SO4干燥，靜置半小時后，過濾，旋干溶劑后用濕法上樣過色譜柱，得到的目標(biāo)產(chǎn)物要在高真空條件下干燥至少半小時后才能進(jìn)行稱重和核磁表征。稱重后得到的反應(yīng)產(chǎn)率為19%，反應(yīng)得到的目標(biāo)產(chǎn)物（3aa）的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為：1HNMR（CDCl3，400MHz，ppm）：δ=8.01（d，J=8Hz，2H），7.58（t，J=7.2Hz，1H），7.49-7.44（m，2H），4.87（t，J=8Hz，1H），4.11（d，J=8Hz，2H），3.72（s，6H），3.5（s，6H）;13CNMR（CDCl3，100MHz，ppm）：δ=198.7，168.1，167.9，136.2，133.4，128.8，128.5，

77.3，77.0，76.7，52.9，52.7，52.2，43.9.HRMScalc.

C18H20O9：380.1107，found：380.1106.

目標(biāo)產(chǎn)物（3aa）的譜圖為圖2-3：

2.2電化學(xué)氧化實現(xiàn)苯乙酮的雙β-二甲酯化的反應(yīng)條件篩選（傳統(tǒng)石墨電極）

首先以石墨電極作為工作電極，苯乙酮1a和丙二酸二甲酯2a作為底物，進(jìn)行反應(yīng)。如果以KI為電解質(zhì)，甲醇為溶劑，在20mA的電流下進(jìn)行反應(yīng)，可以19%的產(chǎn)率得到了雙官能團(tuán)化的產(chǎn)物3aa，產(chǎn)率相對較低。為了催化反應(yīng)，提高反應(yīng)的產(chǎn)率，向該反應(yīng)加入了堿。當(dāng)選擇Na2CO3這種堿時，可以得到42%產(chǎn)率的產(chǎn)物。于是接下來就優(yōu)化了一系列的堿，例如：K2CO3、Ca（OH）2、LiOH、K3PO4、Et3N等，實驗結(jié)果表明對此反應(yīng)來說，KOH是最優(yōu)的堿，得到目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率最高。緊接著又優(yōu)化了一些電解質(zhì)，例如：NaI、Bu4NI、Bu4NBr、LiClO4等電解質(zhì)，實驗結(jié)果表明，碘離子對此反應(yīng)是必要的，加入的電解質(zhì)中如果不含有碘離子，此反應(yīng)是不能進(jìn)行的。于是就優(yōu)化了很多的碘鹽，實驗結(jié)果表明，KI對此反應(yīng)是最優(yōu)的碘鹽，得到目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率最高。最后，又優(yōu)化了不同的溶劑，例如DMSO、CH3CN、CH2Cl2等溶劑，實驗結(jié)果表明，甲醇是最優(yōu)的溶劑，得到目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率最高，如果把甲醇換成其他的溶劑，這個反應(yīng)是不能進(jìn)行的，甲醇是質(zhì)子性溶劑，可在負(fù)極被還原成甲氧基負(fù)離子和氫氣。因此，以石墨電極為工作電極，該反應(yīng)的最優(yōu)條件如下圖4：以KOH為堿，KI為電解質(zhì)，甲醇為溶劑，室溫下以20mA的電流電解三個小時。在該反應(yīng)條件下得到目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率為47%。

2.3不同電極對電化學(xué)氧化實現(xiàn)苯乙酮的雙β-二甲酯化反應(yīng)的影響

以上的實驗研究均以石墨電極為工作電極進(jìn)行的條件篩選優(yōu)化過程，雖然普通的石墨電極是在有機(jī)電化學(xué)中比較常用的，但是其局限性也逐漸顯現(xiàn)出來，因為其表面沒有經(jīng)過任何修飾，使其催化反應(yīng)的類型及范圍都不是很廣泛。因此，設(shè)計了不同的電極材料，研究了不同電極材料對電化學(xué)氧化實現(xiàn)芳香酮的雙β-二甲酯化的影響。

近年來，納米修飾電極成為電化學(xué)研究的熱點(diǎn)，利用電極上析出不同形貌的金屬促進(jìn)有機(jī)反應(yīng)，在這個過程中可以通過改變反應(yīng)的溶劑、時間，反應(yīng)的電壓、電流等調(diào)控納米粒子的粒徑。目前，該方法已經(jīng)被用于制備多種單金屬和雙金屬納米材料，包括Pd、Au、Ag、FeCo等。現(xiàn)在已發(fā)展的修飾電極方法主要有共價鍵合法、吸附法、聚合物薄膜法和電沉積法，利用這些方法我們可以在電極表面引入一些有用的官能團(tuán)或者納米金屬，從而對化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生較大的促進(jìn)作用，例如用納米Au修飾的玻碳電極，可以在電化學(xué)條件下沒有酶的參與就能實現(xiàn)葡萄糖的氧化，而且Pt/Au雙金屬納米顆粒修飾的電極可以實現(xiàn)甲醇的氧化等。

目前納米修飾電極在電化學(xué)有機(jī)合成方面的應(yīng)用較少，納米修飾電極的表面積較大，有較高的催化活性，用其來實現(xiàn)一些傳統(tǒng)有機(jī)合成反應(yīng)的前景是很廣闊的。

因此，制備了一系列的納米修飾的石墨電極，例如納米銅修飾的石墨電極、納米金修飾的石墨電極等。以上述制備的修飾電極為工作電極，研究了苯乙酮1a和丙二酸二甲酯2a的反應(yīng)，以上述最優(yōu)條件為反應(yīng)條件：以KOH為堿，KI為電解質(zhì)，甲醇為溶劑，室溫下以20mA的電流電解三個小時。該反應(yīng)的產(chǎn)率有一定的提高，納米金修飾的石墨電極和納米銅修飾的石墨電極作為工作電極時，產(chǎn)率分別為58%和69%。

隨后，我們以鉑電極作為工作電極，研究了苯乙酮1a和丙二酸二甲酯2a的反應(yīng)，以上述最優(yōu)條件為反應(yīng)條件：以KOH為堿，KI為電解質(zhì)，甲醇為溶劑，室溫下以20mA的電流電解三個小時。驚奇地發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)的產(chǎn)率提高至82%。

由上述實驗結(jié)果得出不同電極的收率柱狀圖（圖5），由此可見，相對于石墨電極，納米金和納米銅修飾的石墨電極對苯乙酮雙β-二甲酯化反應(yīng)有促進(jìn)作用，產(chǎn)率有一定程度的提高，但鉑電極對該反應(yīng)的催化效果更明顯，產(chǎn)率可提高至82%。由此可見，鉑電極比傳統(tǒng)石墨電極、納米修飾的石墨電極的導(dǎo)電性強(qiáng)，電化學(xué)催化效果更好。

3結(jié)論

本文研究了傳統(tǒng)石墨電極、修飾石墨電極和鉑電極對苯乙酮雙β-二甲酯化反應(yīng)的影響，并對反應(yīng)條件進(jìn)行了篩選，實現(xiàn)了苯乙酮的sp3CH雙官能團(tuán)化的反應(yīng)。該反應(yīng)條件溫和，在常溫常壓下即可進(jìn)行，并且反應(yīng)體系中沒有添加金屬催化劑和氧化劑，符合綠色有機(jī)合成化學(xué)的要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Yoshida， J.，Kataoka， K.，Horcajada， R.，ect. Modern strategies in electroorganic synthesis [J]. Chemical Review， 2008 （108）： 2265-2299.

[2] Yoshida， J.; Kataoka， K.; Horcajada， R.; Nagaki， A. Modern strategies in electroorganic synthesis [J]. Chemical Review， 2008 （108）： 2265-2299.

[3] Hayashi， R.; Shimizu， A.; Yoshida， J. The stabilized cation pool method： metal- and oxidant-free benzylic C–H/aromatic C–H cross-coupling[J]. Journal of the American Chemical Society， 2016 （138）： 8400-8403.

[4] Kawamata， Y.; Yan， M.; Liu， Z. Q. Bao， D. H.; Chen， J. S.; Starr， J. T.; Baran， P. S. Scalable， electrochemical oxidation of unactivated C-H bonds[J]. Journal of the American Chemical Society， 2017 （139）： 7448-7451.

[5] Fu， N. K.; Sauer， G. S.; Lin， S. Electrocatalytic radical dichlorination of alkenes with nucleophilic chlorine sources[J]. Journal of the American Chemical Society， 2017 （139）： 15548-15553.

[6] Wang， P.; Tang， S.; Huang， P. F.; Lei， A. W. Electrocatalytic oxidant‐free dehydrogenative C-H/S-H cross coupling[J]. Angewandte Chemie International Edition， 2017 （56）： 3009-3013.

[7] Zhao，H. B.，Hou，Z. W.，Liu， Z. J.，ect. Amidinyl radical formation through anodic N-H bond cleavage and its application in aromatic C-H bond functionalization[J]. Angewandte Chemie International Edition， 2017 （56）： 587-590.

[8] Yancey， D. F.; Carino， E. V.; Crooks， R. M. Electrochemical synthesis and electrocatalytic properties of Au@Pt dendrimer-encapsulated nanoparticles[J]. Journal of the American Chemical Society， 2010 （132）： 10988-10989.

[9] Liu， H.; Qu， J. L.; Chen， Y. F.; Li， J. Q.; Ye， F.; Lee， J. Y. Yang， J. Hollow and cage-bell structured nanomaterials of noble metals[J]. Journal of the American Chemical Society， 2012 （134）：11602-11610.

[10] Rodriguez， P.; Tichelaar， F. D.; Koper， M. T. M.; Yanson， A. I. Cathodic corrosion as a facile and effective method to prepare clean metal alloy nanoparticles[J]. Journal of the American Chemical Society， 2011 （133）： 17626-17629.

[11] Li， X. H.; Chen， J. S.; Wang， X. C.; Sun， J. H.; Antonietti， M. Metal-free activation of dioxygen by graphene/g-C3N4 nanocomposites： functional dyads for selective oxidation of saturated hydrocarbons[J]. Journal of the American Chemical Society， 2011 （133）： 8074-8077.

[12] Soomro， R. A.; Akyuzc， O. P.; Ozturka， R.; Ibupoto， Z. H. Highly sensitive non-enzymatic glucose sensing using gold nanocages as efficient electrode material[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2016 （233）： 230-236.

[13] Vilian， A. T. E.; Hwang， S. K.; Kwak， C. H.; Oh， S. Y.; Kim， C. Y.; Lee， G. W.; Lee， J. B.; Huh， Y. S.; Han， Y. K. Pt-Au bimetallic nanoparticles decorated on reduced graphene oxide as an excellent electrocatalysts for methanol oxidation[J]. Synthetic Metals， 2016 （219）： 52-59.