研究论文介绍

绿色又高效的流动电化学反应合成高价碘化合物

本文作者 芃洋雪

高价碘化合物因其离去能力强和高度亲电性,使其适用于选择性氧化反应如氧化重排、烯烃的双官能团化、杂原子和杂原子偶联反应、苯酚的去芳香化反应等。并且高价碘化合物的使用条件大都温和,比起重金属氧化物毒性更低。但它们的合成通常需要化学计量或者过量的化学氧化剂如过氧化物(双氧水、间氯过氧苯甲酸、过氧乙酸), Selectflror,Oxane等,而这些制备方法都不绿色。

有机电化学合成虽历史悠久但应用很少,而近年来对它又重新认识使其得以复兴。相对于化学氧化剂,电子成为一种可持续使用、清洁的氧化还原试剂,并且价格非常低廉。而流动电化学的发展,助力了这方面的应用。流动电化学反应器,提高了电极表面对反应器体积比,具有更高的物质转移速率,更高的生产效率。

近日,英国卡迪夫大学Cardiff UniversityThomas Wirth团队开发了流动电化学反应器,合成高价碘试剂,论文发表在德国应化杂志上:

Continuous‐Flow Electrochemical Generator of Hypervalent Iodine Reagents: Synthetic Applications,

Mohamed Elsherbini; Bethan Winterson; Haifa Alharbi; Ana A. Folgueiras‐Amador; Célina Génot; Thomas Wirth*

Angew. Chem. Int. Ed. 2019, ASAP. https://doi.org/10.1002/anie.201904379

文中开始以Koser’s试剂2为目标产物,碘化苯的乙腈溶液中在对甲苯磺酸作用下发生阳极氧化,但2的溶解度不佳,造成管道堵塞和漏液。将目标化合物设为溶解性较好的二乙酸碘化苯3,同样是碘化苯的乙腈溶液,在5当量的乙酸中,它的转化率很低,同时发现4-碘化苯乙酸酯4作为副产物,图1所示。

图1 碘化苯在流动电化学中的阳极氧化初始反应.

进一步研究发现,乙酸的用量对反应影响很大,当乙酸用量在40当量时,碘化苯的转化率高达85%,3:4的比例也达到10:1,但3的分离产率仅有25%。这说明,电化学氧化碘化苯有望成功,但溶解度是个需要解决的问题。随后,作者将目光放在了氟化醇中,以合成活性更高的高价碘试剂,并详细研究了流动化学反应条件,反应条件和结果如表1所示。

表1. 流动化学反应中碘化苯的氧化反应参数优化.

以1,1,1,3,3,3,-六氟-2-丙醇(HFIP)为溶剂,由于它的电压较高,添加了少量四氟化硼四丁基铵TBATFB(5mM, 0.1eq)作为辅助电解质,产物的收率高达90%。电极材料(表1,4-6)中Pt-石墨材质最佳。增加电流对收率没有提高(24mA对28mA),降低电压(20mA)减少了收率。降低流动速率或者增加碘化苯浓度,略有提高收率。因氟化醇会腐蚀石墨,将其换为玻璃碳阳极时,5a为定量反应。2,2,2-三氟乙醇(TFE)为溶剂时(entry 11-13),产物收率在70%以上。

作者接下来,评估了这个电化学反应连续运转时的稳定情况。HFIP作为溶剂时,初始运转90Min收率较高,但会在阳极析出固体。在TFE中,初始收率较低(80%),运行6h后仍然平稳,这比间歇性电化学(67%)合成收率高,空时收率(space-time yield)是间歇性合成的2.5倍。

更多的碘化苯底物如图2所示,但生成的高价碘化合物只能存在于溶液中,去掉溶剂后很快降解,收率以1,4-二硝基苯为内标用粗品核磁进行表示。

图2. 其他碘化苯底物的结构和收率.

高价碘试剂是反应试剂,单纯合成只能存在于溶液中产物意义并不大。因此作者将电化学生成的高价碘试剂5b和反应底物一起泵入到第2个反应器中,反应规模为0.4-1.0mmol,产物产量达44-134mg,反应情况如表2所示。氧化苯硫醚为苯亚砜(表2,entry1-2)的收率很高。对二苯酚的去芳香化反应基本定量(entry 3),3-(4-羟基苯基)丙酸的成环反应(entry 4),间羟基亚胺合成苯并噁唑类(entries5-7)。羰基α位的乙酰氧基化和甲苯磺酰氧基化反应(entries8-12)。由酰胺合成咔唑的收率略低于间歇式反应(48%vs 60%),但反应时间大大缩短(1hvs48h)。

表2. 流动电化学生成的高价碘化物应用在多种反应中.

同时不稳定的高价碘化合物5通过配体交换反应可以转化为稳定的高价碘试剂如PhI(OAc)23,PhI(OCOCF3)2 18,PhI(OH)OTs 2等,以及用化学氧化剂难以合成的三氟甲基修饰的1920,如图3所示。 进一步发现,反应中用过的氟化醇可以重蒸后重复使用,这样更减少了物料的使用,反应过程更加环保。

图3. 配体交换反应生成稳定的高价碘化物.

总结:高价碘化物是有机合成中的重要反应试剂,Thomas等通过使用流动电化学,在氟化醇溶剂合成了多种高价碘化合物,这种绿色合成方法不使用任何化学氧化剂,而且溶剂可以重蒸后重复使用。脱除溶剂后不稳定的高价碘化合物可以在溶液中稳定存在,并且以较高的收率作用于下一步反应。通过配体交换反应,电化学生成的高价碘化合物可以转化为室温下稳定的常见试剂如PhI(OAc)2和PhI(OCOCF3)2等。

 

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