电化学桑德迈尔反应 电化学反应
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电化学反应(电化学桑德迈尔反应)
“桑德迈尔反应”是有机化学中著名的命名反应，是重氮盐将芳香胺转化为芳香卤化物的重要方法 。它是由瑞士化学家桑德迈尔于1884年首次报道的 。Dtsch 。化学 。GES 。，1884，17，1633-1635)，而在今天的然而，桑德迈尔反应需要消耗化学计量的铜，带来了成本高、环境不友好等一系列限制 。一百多年来，对桑德迈尔反应的扩展研究不断丰富和发展，但对新策略的研究仍然具有强调信息资源网络化的重要意义 。
自从1848年柯尔伯的阳极氧化反应被发现以来，电化学已经发展成为一门应用广泛的重要技术 。己二腈和葡萄糖酸钙的电化学生产是一个巨大的工业应用实例 。由于电势对电子转移的强制作用，一些在常规化学反应中很难获得或失去电子的反应物，在电化学中很容易获得或失去电子，进而充当氧化剂或还原剂 。因此，通过适当的设计，电化学反应可以避免在常规化学反应中使用传统的氧化剂/还原剂，绿色、环保、温和 。
最近北京大学莫凡阳研究组报道了电化学桑德迈尔反应，在电驱动下，芳基重氮盐在阴极还原得到芳基自由基，芳基自由基再与各种卤化试剂反应得到芳基卤代物 。相关工作发表在《化学科学》上 。
首先，作者分析了电化学桑德迈尔反应需要克服的三个问题 。首先，重氮盐可以在电极上发生双电子还原形成芳基阴离子，进一步质子化得到还原产物；其次，芳基可以与其他芳烃(冈伯格-巴赫曼)或与另一个芳基反应生成偶合产物；第三，芳基也可以直接与电极表面相互作用，改变电极表面的物理和化学性质，降低电化学过程的效率 。为了避免上述问题，作者提出了以下两种解决方案:一是通过调节电流来控制芳基自由基的生成速率，以减少副反应的发生；其次，选择具有适当活性的卤化试剂，快速捕获新生成的芳基 。这是在电化学过程中实现桑德迈尔反应的关键(图1) 。
图一 。问题和解决方案 。图片来源:chem.sci
以溴化反应为例，以NBS为溴化试剂，经过尝试选择出最佳条件:体积比为5:1的MeOH/DMF为混合溶剂，Bu4NClO4为电解液，铂网电极在10 mA的恒电流下电解3h 。产物2a的GC产率为83% 。与此同时，他们设计了一个控制实验，其他条件相同，但没有电流 。反应产率显著降低(20%，15小时后增加到31%)，表明主要通过电化学反应获得所需产物 。此外，作者发现二碘甲烷(CH2I2)是一种优良的碘化试剂 。与溴化和碘化相比，氯化过程相对困难，因为氯的电负性很高 。作者尝试了氯离子阳极氧化生成氯自由基的方法 。以简单无机盐LiCl和泡沫镍为阴极，可以很好地实现氯化反应 。同时，他们还将反应扩展到以NaBr为溴源的溴化反应 。这种在体系中具有高活性的原位活性物种是电有机合成的一大优势 。
他们还研究了底物的应用范围，发现碘化、溴化和氯化反应具有良好到优异的产率，并且具有良好的官能团相容性 。一般来说，带有吸电子基团的底物可以得到较高的产率 。部分底物使用NaBr、LiCl等简单无机盐作为卤化试剂，这是该方法的一个亮点 。
图二 。电化学重氮盐卤化反应底物应用范围的探讨 。图片来源:chem.sci
除了直接以重氮盐为底物外，作者还研究了重氮盐的电化学原位卤化 。他们以芳香胺为底物，在有机相中原位重氮化，然后直接加入卤化试剂进行电解，一锅法完成卤化反应，产率较高(42-83%) 。一锅法还可以兼容许多官能团，如硼酸根、酰胺和吲哚 。
图3 。电化学苯胺卤化反应 。图片来源:chem.sci
此外，作者利用廉价的大尺寸石墨板作为阴极进行了3 g规模的放大实验，溴化和碘化的产率分别为76-80%，证明该反应具有较高的实用价值 。
图4 。用于3 g规模反应的电化学装置 。图片来源:chem.sci
最后，通过循环伏安法和一系列控制实验，特别是原位电子顺磁共振技术，对反应机理进行了详细的研究 。EPR技术是研究自由基的重要方法 。作者利用自行设计的装置，原位追踪反应过程中产生的自由基种类和丰富信息资源的网络程度 。如图5所示，他们将两根铂丝分别从上下两端放入平板池中，将反应溶液放入平板池中，用电子顺磁共振仪每30秒记录一次反应体系的EPR信号(反应B的EPR信号随时间的变化见图6) 。因为有机自由基通常具有非常短的寿命并且不能被直接检测到，所以将PBN作为捕集剂加入到反应体系中 。
