不飽和碳碳鍵電化學(xué)加氫的最新研究進(jìn)展

莊佳文, 王 敏, 周愛華

(江蘇大學(xué) 藥學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

催化還原反應(yīng)不僅在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用極為廣泛,而且在藥品及農(nóng)藥的生產(chǎn)過程中較為頻繁運(yùn)用。傳統(tǒng)加氫方法主要是以易燃易爆的氫氣[1]為氫源,使用貴金屬如鉑、銠和鈀等作為加氫催化劑,在高溫高壓下,完成各種加氫反應(yīng)。然而反應(yīng)條件較苛刻,其主要的缺陷在于安全性差,設(shè)備成本高和操作彈性低(Scheme 1a)。因而近幾十年來,更環(huán)保且安全的氫源(如硼烷、硼氫化金屬鹽、氫化物鹽、甲酸和甲醇)加氫方法的使用也得到了一定的發(fā)展(Scheme 1b)。盡管研究取得了較大進(jìn)步,但這些反應(yīng)仍存在能耗高、危險(xiǎn)系數(shù)大、條件苛刻、費(fèi)用高以及環(huán)保等諸多問題[2]。因此,開發(fā)新型常溫常壓及環(huán)境友好的加氫反應(yīng)仍然是人們研究的目標(biāo)。電化學(xué)加氫作為一種新興的常溫常壓、環(huán)境友好且簡單高效的加氫方法日益受到人們的重視,它可以對各類不飽和有機(jī)化合物進(jìn)行有效加氫。這種加氫反應(yīng)往往不需要直接使用易燃易爆的氫氣作為氫源,而是采用陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫作為氫源,并直接對要加氫的原料進(jìn)行加氫還原,大大降低了反應(yīng)的危險(xiǎn)性和成本,避免了對污染性還原劑的使用,實(shí)現(xiàn)了以更高的原子經(jīng)濟(jì)手段來完成反應(yīng),滿足了當(dāng)代綠色環(huán)保的要求[3-4]。本綜述通過總結(jié)歸納近6年以來碳碳鍵電化學(xué)加氫反應(yīng),較詳細(xì)地介紹不飽和化學(xué)鍵的電化學(xué)加氫反應(yīng)及其特征。

Scheme 1

1 碳碳雙鍵電化學(xué)加氫反應(yīng)

烯烴及其衍生物的加氫反應(yīng)在工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室制備化合物時(shí)均有著廣泛的應(yīng)用。近年來,以烯烴及其衍生物為底物的電化學(xué)加氫反應(yīng)受到了廣泛關(guān)注。

Scheme 2

Scheme 3

2016年,Derosa等[5]開發(fā)了一種通過電催化的富馬酸酯C=C的還原性協(xié)同質(zhì)子電子轉(zhuǎn)移(CPET)技術(shù)。該反應(yīng)以二茂鈷為催化劑,最終以高選擇性實(shí)現(xiàn)了富馬酸酯的加氫(Scheme 2)。然而,昂貴的電極材料和催化劑限制了這種方法的推廣。同年,Tomida等[6]使用硅膠負(fù)載的磺酸(Si-SO3H)促進(jìn)活化烯烴電還原加氫中的質(zhì)子化,并成功地進(jìn)行了幾種活性烯烴的電還原加氫,以良好的收率獲得了相應(yīng)的加氫產(chǎn)物(Scheme 3)。該反應(yīng)機(jī)理主要是由缺電子的烯烴在陽極上得電子生成活化的烯烴衍生物,然后在Si-SO3H和四丁基銨鹽的共同作用下捕獲到氫質(zhì)子最終生成加氫產(chǎn)物。與之前的方法相比,這種電化學(xué)方法使用了更為廉價(jià)的添加劑(Si-SO3H)以及更為普及的玻碳作為反應(yīng)電極,使反應(yīng)更加綠色環(huán)保。

對于不同的不飽和雙鍵,需要進(jìn)行額外且高效的選擇性加氫反應(yīng)。2018年,Li等[7]報(bào)道了氣態(tài)氨作為氫源和碳電極的烯烴電化學(xué)加氫反應(yīng),該反應(yīng)機(jī)理如Scheme 4所示。首先,電子從陰極轉(zhuǎn)移到底物后與來自氨的質(zhì)子轉(zhuǎn)移相耦合,然后產(chǎn)生的中間物經(jīng)歷了陰極的第二次電子轉(zhuǎn)移和氨的質(zhì)子轉(zhuǎn)移,以提供加氫產(chǎn)物。胺根陰離子副產(chǎn)品在陽極進(jìn)行氧化形成肼,而肼反過來又會(huì)還原底物,并通過二亞胺生成二氮。此外,還可從氨中直接生成肼,然后對底物進(jìn)行加氫還原。該方案能與多種官能團(tuán)相容,包括缺電子的烯烴、芐基、Boc、 Cbz、 Alloc、硫化物、硅基和硼酸鹽基團(tuán),其所用的氫源氨可以安全地在電化學(xué)環(huán)境中使用,能與有機(jī)溶劑相溶,是一種環(huán)境友好的大宗化學(xué)品,為電化學(xué)加氫反應(yīng)提供了一種新的補(bǔ)充方法。

Scheme 4

N-雜環(huán)芳烴的加氫是獲得具有生物活性的部分飽和N-雜環(huán)等有機(jī)合成關(guān)鍵中間體的最有效方法之一,而咪唑并吡啶衍生物的選擇性加氫是目前較為熱門的加氫反應(yīng)。2016年,Xuan等[8]運(yùn)用傳統(tǒng)化學(xué)方法,以鈀為催化劑,B2pin2為媒介,水作為氫源及溶劑,成功將咪唑并[1,2-α]吡啶衍生物選擇性地還原成5,6,7,8-四氫咪唑并[1,2-α]吡啶(Scheme 5a)。雖然這是一種較為新型的使用Pd作為催化劑實(shí)現(xiàn)各種N-雜芳族化合物的轉(zhuǎn)移氫化,但與其他傳統(tǒng)化學(xué)方法類似,此方法也存在著使用的金屬催化劑昂貴、反應(yīng)條件苛刻和選擇性較差等缺陷。然而,在2020年,Wen等[9]在電化學(xué)條件下,考察了咪唑并吡啶衍生物的選擇性加氫反應(yīng)。該反應(yīng)在常溫常壓下,以碳-鉑電極作為正負(fù)電極,正丁基四氟硼酸銨作為電解質(zhì),哌啶作為氫源,以溶劑體積比V乙腈∶V四氫呋喃=9 ∶1作為最優(yōu)反應(yīng)條件,實(shí)現(xiàn)咪唑并吡啶的加氫還原。該反應(yīng)的機(jī)理主要是由哌啶在陽極氧化脫掉氫離子形成自由基,經(jīng)自身耦合后得到化合物4,而陰極脫掉的氫離子轉(zhuǎn)移到經(jīng)過陰極活化的咪唑并吡啶衍生物A上,最終獲得了部分飽和的N-雜環(huán)化合物2(Scheme 5b)。與上述傳統(tǒng)化學(xué)方法相比,該合成方法成功地避免了過渡金屬的存在。此外,這種陰極還原的轉(zhuǎn)移氫化合成方法可以實(shí)現(xiàn)克級放大,有利于實(shí)際應(yīng)用。

2019年,Huang等[10]報(bào)道了一種通過電化學(xué)方法對α,β-不飽和酮進(jìn)行可持續(xù)的、化學(xué)選擇性的1, 4-還原的方法(Scheme 6a)。該反應(yīng)在鉑電極為正負(fù)電極的條件下,以氯化銨(4eq)作為電解質(zhì)和添加劑,以體積比VDMSO∶VMeOH=4 ∶1的混合溶劑作為最優(yōu)反應(yīng)條件,適應(yīng)于各種α,β-不飽和酮進(jìn)行電化學(xué)加氫。當(dāng)加入了常用的自由基清除劑2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)后,幾乎沒有檢測到任何所需的產(chǎn)物,完全抑制了反應(yīng),表明該反應(yīng)是通過自由基歷程進(jìn)行的(Scheme 6b)。與傳統(tǒng)方法相比,這種方法采用廉價(jià)的氯化銨作為唯一的添加劑和部分氫供體,且有著更為簡單的操作和更低的能耗,并且與多種含有各種官能團(tuán)的α,β-不飽和酮兼容。2021年,Qin等[11]報(bào)道了一種新的在無金屬和無外在還原劑條件下,于室溫下采用電化學(xué)方法對不飽和C—C進(jìn)行高效和高選擇性加氫的簡單方案,生成了一系列鏈烷烴和羰基化合物。該反應(yīng)在常溫常壓下,以碳電極作為正負(fù)電極,四丁基硫酸氫銨作為氫源和電解質(zhì),DMSO作為溶劑的最佳反應(yīng)條件,以良好的收率提供了一系列鏈烷烴和羰基化合物。其放大實(shí)驗(yàn)證明了這種電化學(xué)加氫方案在實(shí)際合成中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值(Scheme 7)。與之前的電化學(xué)方法相比,此方案運(yùn)用更為廉價(jià)的碳作為正極和負(fù)極,在之后的放大生產(chǎn)中具有更多的利用價(jià)值。

Scheme 5

Scheme 6

2021年,Sheta等[12]開發(fā)了一種通過電化學(xué)高區(qū)域選擇性的加氫羧基化反應(yīng),該過程能夠從二烯直接形成羧酸,從而獲得ɑ,β-加氫羧化產(chǎn)物。該反應(yīng)分別以碳電極和SS電極作為正極和負(fù)極,以TEOA(三乙醇胺)和碘化胺作為添加劑,最終實(shí)現(xiàn)了二烯羧酸、二氧化碳和水三組分的交叉偶聯(lián)。此外,通過改變反應(yīng)條件,可以很容易地獲得二羧酸或者還原的烯烴。該反應(yīng)經(jīng)過路線(a)和路線(b)得到相同的中間體6a,通過在陰極得電子與水或二氧化碳反應(yīng)分別得到產(chǎn)物7和產(chǎn)物8,在路線(b)中生成的中間體6b也可能會(huì)直接和水在陰極反應(yīng)最終得到相對應(yīng)的烯烴(Scheme 8)。與之前的電化學(xué)相比,該方法不依賴于犧牲陽極促進(jìn)反應(yīng)。此外,通過簡單地修改反應(yīng)條件,可以較為容易地獲得α,β-二羧酸或α,β-還原烯烴。

Scheme 7

Scheme 8

炔烴的加氫是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界合成重要精細(xì)化學(xué)品、藥物和天然產(chǎn)物的重要環(huán)節(jié),因此,人們致力于開發(fā)方便、高效的加氫策略。而電化學(xué)合成依據(jù)電子可作為強(qiáng)大且可持續(xù)試劑的特征,通過電極表面的氧化或還原來激活基底。迄今雖已取得一些成就,但開發(fā)關(guān)于具有高效、方便、易于規(guī)?；铜h(huán)境友好的選擇性炔烴加氫反應(yīng)的電化學(xué)策略仍然面臨著挑戰(zhàn)。2019年,Li等[13]首次報(bào)道了在鈀/四丁基碘化胺體系下實(shí)現(xiàn)了炔烴以及烯烴的電化學(xué)加氫還原。該方法以碳和鉑分別作為正極和負(fù)極,乙酸鈀作為催化劑,四丁基碘化胺作為電解質(zhì),二甲胺作為氫源,實(shí)現(xiàn)了氫原子在烯烴或炔烴的自由基加成反應(yīng),以較高的收率獲得了相對性的芳香烴化合物(Scheme 9)。

Scheme 9

氫同位素交換(HIE)是最普遍的氘化方法之一,還原氘化工藝通常需要昂貴且不可回收的D2氣體作為氘源[14]。除此之外,D2O也可用作較便宜的氘源,但是這類反應(yīng)通常需要過量的D2O,并且D2O在沒有提純的情況下不能重復(fù)使用[15-17]。2020年,Kurimoto等[18]報(bào)道了采用串聯(lián)電化學(xué)鈀膜反應(yīng)器和位點(diǎn)選擇性還原脫氘法介導(dǎo)了氘原子與炔類的化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)通過利用電化學(xué)隔膜的氘選擇性滲透實(shí)現(xiàn)了C(sp3)—D和C(sp2)—D的形成,解決了炔烴氫同位素交換(低站點(diǎn)選擇性)和現(xiàn)有還原氘化方法(氘源昂貴及不安全)的缺點(diǎn)。研究結(jié)果表明已經(jīng)將該反應(yīng)器用于普通藥物西那卡塞的氘化步驟,證明了該方法可用于將氘原子結(jié)合到藥物中(Scheme 10)。

Scheme 10

2020年,Wu等[19]報(bào)道了以H2O(D2O)為H(D)源,在較低的電位上將炔烴選擇性半加氫制備具有特定構(gòu)型烯烴的方法。該方法以Pd-P極為陰極,使炔烴在該電極上半加氫還原為相應(yīng)的烯烴；以鎳硒電極為陽極,將乙二胺脫氫氧化為重要的工業(yè)原料己二腈。這種方法不僅為水電解而產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行選擇性半氫化/氘化反應(yīng)提供了一個(gè)新的平臺,而且為開發(fā)合理設(shè)計(jì)的高效有機(jī)合成電催化劑提供了新的范例(Scheme 11)。

Scheme 11

2020年,Xu等[20]報(bào)道了一種α,β-不飽和羰基化合物在無催化劑和外部還原劑條件下的電化學(xué)氘化方法。該反應(yīng)以簡單易得的重水為氘源,以DMF作為溶劑,使用石墨氈為正負(fù)電極確保反應(yīng)的高選擇性和氘化率。該反應(yīng)不需要過渡金屬催化劑或化學(xué)計(jì)量還原劑,以中等至優(yōu)異的收率獲得了所需的氘代產(chǎn)物,且重現(xiàn)性好(Scheme 12)。

Scheme 12

2021年,Qin[21]等開發(fā)了一種無金屬、方便、高效且環(huán)保的缺電子烯烴或炔烴的加氫方法。該方法可以在外源還原劑和金屬催化劑的作用下,使缺乏電子的烯烴和炔烴在電化學(xué)條件下被轉(zhuǎn)化為飽和酮。這種電化學(xué)加氫合成方法適用于各種缺電子內(nèi)部烯烴和炔烴的加氫還原,并且在放大的過程中有著良好的收率(Scheme 13)。

Scheme 13

加氫反應(yīng)作為合成大宗化學(xué)品以及精細(xì)有機(jī)分子的關(guān)鍵反應(yīng),其無論在學(xué)術(shù)和工業(yè)上都具有著極其重要的價(jià)值。由于傳統(tǒng)加氫反應(yīng)條件苛刻,因此開發(fā)全新的加氫反應(yīng)模式十分重要。電催化加氫合成飽和有機(jī)化合物具有安全、環(huán)保、高效、可撬裝及可移動(dòng)的特點(diǎn),是未來重點(diǎn)開發(fā)的方向,雖已取得了較大的發(fā)展,但其仍有著諸如底物耐受性差,重現(xiàn)性不好,電極材料昂貴等諸多問題。因此,電化學(xué)加氫依然是今后研究的熱點(diǎn)。本綜述總結(jié)歸納了近幾年碳碳鍵電化學(xué)加氫反應(yīng)的研究進(jìn)展,希望能對類似研究提供重要參考價(jià)值。