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打破50年的猜想桎梏!“一石二鸟”电催化实现镍-双氧复合物选择性氧化

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化学加网 2021-02-24 19:27

导读

近日,北京大学药学院焦宁课题组报道了以镍为电催化剂氧化底物,本质上反应是通过形成Ni-双氧复合物氧化底物,其中水作为氧供体,无需外加氧化剂,电在反应中既电解水解产生了氧气,又活化了二价镍催化剂,起到“一石二鸟”的作用,相关成果发表在Nat. Catal.。

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在生物体内,镍被发现于参与酶催化的氧化过程中并且常以镍-双氧模式参与酶催化的氧化过程中,例如栎皮酮2,4-加双氧酶含有镍-双氧结构(图1a)。近些年来,镍参与的金属催化偶联研究较多,但是镍催化的氧化过程研究较少,镍-双氧复合物在文献中报道的就少之又少。该类研究较少的原因主要是二价镍对于氧气是惰性的,因为Ni3+/Ni2+的氧化电位较高,难以得到镍-双氧中间体。在早些时期,Riordan和Driess等人报道过镍和超氧复合物氧化过程,但是该类氧化效率较低,同时需要过量的氧气(图1b)。Otsuka 等人也报道了相似的现象,他们发现镍催化的循环中会导致配体被氧化的现象(图1c)。

图1. 镍-双氧复合物氧化反应。图片来源:Nat. Catal.

要实现底物的氧化,体系内必须发生电荷转移,作者考虑到电化学能够实现该过程的转化。底物氧化也需要氧的参与,传统的方法需要使用当量的氧化剂或者高纯的氧气,而作者认为水在电解作用下可以原位产生氧气来代替氧气的使用,从而使这个过程的绿色环保。参考前人的经验,Badalyan 和 Stahl等人使用(bpy)Cu(OTf)2作为电催化剂氧化醇羟基;Baran实验室报道以镍Ni(Mebpy)nBr2为电催化剂催化构建C-N键,该过程是通过产生的一价镍Ni(I)物种到二价镍完成氧化过程来构建C-N键,氧化反应如果需要用Ni来实现的话,必须通过Ni(I)到Ni(II),同时二价镍形成Ni-双氧复合物;在这些基础上,北京大学药学院焦宁课题组报道了以镍为电催化剂氧化底物,本质上反应是通过形成Ni-双氧复合物氧化底物,其中水作为氧供体,无需外加氧化剂,电在反应中既电解水解产生了氧气,又活化了二价镍催化剂,起到“一石二鸟”的作用,相关成果发表在Nat. Catal.。(图2)

图2. 镍做电催化剂完成底物氧化过程。图片来源:Nat. Catal.

在实验的起始阶段,作者使用Ni(OTf)2、双吡啶配体L1和30倍当量的水反应就能得到60%的单氧化的二苯亚砜产物。筛选了镍催化剂发现二氯化镍最为有效,作者推测氯离子在电解过程中会形成氯化氢离子,其可以作为氧转移试剂,同时配体仍为双吡啶配体L1最优,最终能够以97%的收率得到单氧化的二苯亚砜产物,同时伴有少量的砜类产物(图3)。当反应置于无水无氧的乙腈中,该反应不能进行,证明了氧气在该反应中是必须存在的。

图3. 二苯硫醚底物氧化的实验条件筛选。图片来源:Nat. Catal.

得到了最优条件后,作者测试了一系列硫化物,通过控制电解的时间,避免过度氧化,都能够以较好的收率得到单一氧化的亚砜产物,同时实验对比了不用镍催化剂的情况下反应得到亚砜产物的收率。该反应的兼容性良好,底物中如果含有三元环时,三元环不会发生开环现象(2h),同时底物中含有醛基(2d)或者酮羰基(2j)时,这些基团不受影响;当底物是含氮杂原子时,反应中不会观测到N-O化物(2n),同时该方法也可以氧化膦化物。在较低的Ni(OTf)2载量下,该反应还可以实现克级规模制备(2d)(图4)。

图4. 硫醚类氧化成亚砜的底物范围(a标准条件;b无镍催化剂下)。图片来源:Nat. Catal.

为了弄清楚整个氧化过程的机制问题,作者做了一系列控制实验。起初,该过程的氧是否来自水的电解?当在反应电解体系中加入5 mmol的H218O时,GCMS可以检测相应量的18O2气体和氢气(图5a),在反应体系中则会使得底物带上18O,这些证实了水是反应体系中的氧供体(图5b和图5c)。

图5. 控制实验:水是反应的供氧体。图片来源:Nat. Catal.

在反应过程中是否会有关键的Ni(I)和Ni(II)-双氧化物形成呢?将反应体系进行高分辨质谱测试能够找到相应的Ni(I)复合物和Ni(II)-双氧化物,作者推测该过程会产生氧根负离子自由基O2•−,这是形成Ni(II)-双氧化物的关键,但实验也证实氧根负离子自由基O2•−并不参与反应(图6)。

图6. 高分辨质谱检测关键中间体的分子量。图片来源:Nat. Catal.

根据这些控制实验,作者提出如下机理:首先,二价镍在阴极被还原成一价镍D后,活化氧气形成Ni(II)-双氧化物自由基中间体A,该中间体得一个电子后形成Ni(II)-双氧化物B,氧化底物后形成零价镍E,在阳极被氧化后再生二价镍C(图7)。

图7. 实验推测的反应机理。图片来源:Nat. Catal.

总结: 因为镍-双氧复合物较难形成,该类研究较少。 北京大学焦宁课题组通过电化学诱导 了 镍-双氧复合物的生成,以水作为供氧体,绿色高效的完成硫醚类底物的选择性氧化,具有 广泛 的底物适用性和耐受性,同时该过程是通过形成Ni(II)-双氧化物中间体完成底物的氧化,打破了50多年来氧气被认为是不能氧化二价镍的猜想。

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