研究论文介绍

Nat. Commun.:镍催化的电化学羧基化反应方法学研究

本文作者:杉杉

导读

近日,四川大学的余达刚课题组在Nat. Commun.中发表论文,报道一种全新的通过电化学还原镍催化体系促进的一系列非活化芳基卤、芳基磺酸酯以及烷基溴分子的电催化羧基化反应方法学,进而成功完成一系列脂肪与芳香族羧酸分子的构建。这一全新的电催化羧基化策略具有温和的反应条件、催化剂价格低廉、优良的底物应用范围以及良好的官能团兼容性等优势。

Nickel-catalyzed electrochemical carboxylation of unactivated aryl and alkyl halides with CO2

Sun, W. Zhang, L. Liao, L. Li, Z. Nie, J. Wu, Z. Zhang, D. Yu, Nat. Commun. 2021, 12, 7086. doi: 10.1038/s41467-021-27437-8.

近年来,电化学过渡金属催化[1],尤其是采用电化学镍催化的还原交叉偶联反应方法学[2]的相关研究,已经备受诸多课题组的广泛关注。这里,受到前期对于过渡金属[3]以及电化学催化[4]的有机卤分子与CO2之间对羧基化反应方法学 (Fig. 1)相关报道的启发,四川大学的余达刚课题组成功设计出一种全新的通过电化学还原镍催化体系促进的一系列非活化芳基卤、芳基磺酸酯以及烷基溴分子的电催化羧基化反应方法学,进而成功完成一系列脂肪与芳香族羧酸分子的构建 (Fig. 1b)。

首先,作者采用4-氯联苯1aCO2作为模型底物,进行相关反应条件的优化筛选 (Supplementary Table 1)。进而确定最佳的反应条件为:采用NiBr2•DME作为催化剂,dtbbpyDMAP作为配体,叔丁醇钾作为碱,在无隔膜电解槽中,采用锌板 (zinc plate)作为阳极,碳毡 (carbon felt)作为阴极,恒定电流为10 mA,反应温度为60 oC,最终获得70%收率的羧基化产物2a

在上述的最佳反应条件下,作者首先对各类芳基氯底物的应用范围进行深入研究 (Fig. 2)。

之后,作者通过对上述反应条件的进一步优化,成功将这一全新的电催化羧基化策略应用于一系列未活化烷基溴底物的羧基化 (Fig. 3)。

之后,该小组进一步对无阳极牺牲的电化学羧基化反应策略中相关有机卤底物的应用范围进行深入研究 (Fig. 4)

之后,作者进行一系列相关的控制实验 (Fig. 5)研究表明,1-1可能作为上述催化循环过程中的关键中间体。并且,该小组进一步通过HRMS检测到配合物1-2 [ArNi(dtbbpy)(DMAP)Cl]的存在 (Fig. 5e)。

同时,作者通过对于L+Ni(acac)2与LNi(acac)2的CV以及Ni(acac)2的UV-Vis吸收光谱研究 (Fig. 6)表明,在NMP溶剂中,通过Ni(acac)2与dtbbpy之间的等比例混合,原位形成相应的预催化剂LNi(acac)2。同时,镍催化剂与配体之间存在相关的配位过程。之后,作者发现,在镍催化体系中存在两个不可逆的还原峰,进而表明镍催化剂能够在阴极表面还原为相应的Ni(I)与Ni(0)配合物。

之后,该小组进一步通过对于Ni(acac)2与dtbbpy体系 (Fig. 7a)、镍催化体系与DMAP共同存在时 (Fig. 7b)以及加合物1-1的CV研究表明,预先形成的镍配合物能够进一步还原为相应的Ni(0)配合物,因而能够推测催化电流的产生源自于3h与Ni(0)配合物之间的氧化加成过程。而且,该小组研究发现,在引入CO2之后,还原峰电流进一步增加,进而表明后续羧基化反应过程的进行。同时,DMAP能够有效地促进镍催化剂对于芳基溴分子的活化。并且,反应过程中同样存在加合物1-1在阴极表面的还原 (Fig. 7c)以及氧化加成配合物1-1通过后续的还原过程,形成相应的Ni(I)配合物,再与CO2经历相应的羧基化步骤,并进一步还原为相应的Ni(0)配合物。

基于上述的实验研究以及前期的文献报道[5],作者提出如下合理的反应机理路径 (Fig. 8)。

总结

四川大学的余达刚团队成功设计出一种全新的通过电化学还原镍催化体系促进的一系列非活化芳基卤、芳基磺酸酯以及烷基溴分子的电催化羧基化反应方法学,进而成功完成一系列脂肪与芳香族羧酸分子的构建。这一全新的电催化羧基化策略具有温和的反应条件、催化剂价格低廉、优良的底物应用范围以及良好的官能团兼容性等优势。

参考文献

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