不同電極對電化學氧化實現苯乙酮雙β-二甲酯化的影響

高惠惠

【摘 要】 有機電化學合成是直接利用電子的得失來實現氧化還原反應，進而實現有機合成，得到目標產物的過程，也是一門將有機合成化學和電化學技術相結合的交叉學科。在此體系中，通過電化學有機合成，成功地實現了苯乙酮α位sp3 C-H的雙官能團化，而且該方法反應條件溫和，常溫常壓下就能進行，不用額外添加催化劑和氧化劑，后處理也比較簡單，符合綠色化學的要求。在文中主要研究了不同電極例如傳統石墨電極、修飾石墨電極、鉑電極等對電化學氧化實現苯乙酮的雙β-二甲酯化的影響，并且對反應條件進行優化，得到較高產率的目標產物。

【關鍵詞】 有機電合成;電化學氧化;不同電極;苯乙酮的雙β-二甲酯化

【中圖分類號】 O621.3 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0097-03

利用電化學方法來實現有機化合物的合成被稱為有機電化學合成，它是通過電子得失來實現有機化合物的氧化與合成。有機電化學合成是一門涉及電化學、有機化學及化學工程等學科的交叉學科。

傳統的有機合成方法大多都需要金屬催化劑或者氧化劑的加入，操作復雜，不符合綠色化學的要求。電化學合成只消耗電力，是通過電子的轉移來實現化合物的氧化與還原，不需要額外添加氧化還原試劑，其成本和對環境的影響都具有巨大的優勢。

自從1834年著名的有機電解反應“柯爾貝（Kolbe）反應”被發現后，有機電化學合成作為一種有用的有機合成方法有了很大的發展。電化學-有機合成方法學是最近的一個新熱門，因其過程可控、綠色環保等優點作為重要的合成手段之一受到越來越多的關注，并取得了一系列的研究成果，例如Baran課題組報道了在碳和鎳電極下選擇性地實現了亞甲基和次甲基C-H鍵的官能團化。林松課題組報道了在電化學催化下，可立體選擇性地將烯烴直接轉化為鄰二氯取代物。雷愛文課題組報道了電極作用下吲哚與硫酚的脫氫偶聯反應高效構建C-S鍵，這是首例結合電化學的C-S鍵構建反應。徐海超課題組通過電化學氧化首次實現了從N-H鍵制備亞胺類氮自由基的方法，并將其應用于苯并咪唑及吡啶并咪唑的合成中等。這些例子都是相對于傳統的化學方法，更綠色有效的合成目標分子，實現有機合成方法學的新突破。

電極材料在有機電化學合成中會直接影響有機反應的產率，甚至會決定有機反應體系的成敗。不同材料的電極因其表面性質的差異，可以有選擇性地合成一些化合物。由此可見，在有機電合成中，研制和篩選合適材料的電極是很重要的。因此，設計了不同的電極材料，研究了不同電極材料對電化學氧化實現芳香酮的雙β-二甲酯化的影響。本文在之前工作的基礎上，研究了傳統石墨電極、修飾的石墨電極、鉑電極對苯乙酮的雙β-二甲酯化的影響，發展了一種在溫和的條件下，實現苯乙酮sp3CH雙官能團化的反應。這個研究具有非常重要的意義，開拓了sp3CH雙官能團化的反應類型。

1實驗部分

1.1實驗試劑

苯乙酮、碘化鉀、四丁基碘化銨、四丁基溴化銨、碘化鈉、丙二酸二甲酯、丙二酸二乙酯、磷酸鉀、氫氧化鋰、氫氧化鉀、氫氧化鈣、碳酸鈉、碳酸鉀、三乙胺，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2實驗設備及測試儀器

恒電位儀：上海雷磁恒電位儀DJS-292雙顯恒電位儀

NMR：Bruker-400MHz（1H NMR）和100MHz（13C NMR）核磁共振儀

GC-MS：島津QP5005系列氣質聯用分析儀

1.3電極制備

傳統電極：石墨電極

修飾電極的制備：以Nafion溶液為黏合劑，把修飾材料涂覆電極表面上，達到修飾電極的目的;也可以用電還原沉積的方法來制備，改變電流、電壓、反應溶劑、時間、溫度等條件，調控納米粒子的粒徑，不同形貌的納米顆粒可以催化不同的有機反應，進而實現反應選擇性的調控。

Pt電極：1.5×1.5cm2

2結果與討論

2.1電化學氧化實現苯乙酮的雙β-二甲酯化的具體實驗操作（傳統石墨電極）

以苯乙酮和丙二酸二甲酯為底物，在電化學條件下實現苯乙酮的雙β-二甲酯化的實驗操作步驟具體為圖1：

依次將苯乙酮（0.5mmol）、丙二酸二甲酯（2mmol）、碘化鉀（1mmol），加到非分開的電解槽中，以甲醇（8mL）作為溶劑，以傳統石墨電極為工作電極，在恒電流條件下電解3-5個小時，電流為20mA，同時使用薄層色譜法（TLC）跟蹤反應，直至原料完全反應消失后，關閉恒電位儀，停止該反應，先旋去溶劑甲醇，然后加入10mL的純水，加入乙酸乙酯萃取（3×10mL），合并有機相并用無水Na2SO4干燥，靜置半小時后，過濾，旋干溶劑后用濕法上樣過色譜柱，得到的目標產物要在高真空條件下干燥至少半小時后才能進行稱重和核磁表征。稱重后得到的反應產率為19%，反應得到的目標產物（3aa）的結構數據為：1HNMR（CDCl3，400MHz，ppm）：δ=8.01（d，J=8Hz，2H），7.58（t，J=7.2Hz，1H），7.49-7.44（m，2H），4.87（t，J=8Hz，1H），4.11（d，J=8Hz，2H），3.72（s，6H），3.5（s，6H）;13CNMR（CDCl3，100MHz，ppm）：δ=198.7，168.1，167.9，136.2，133.4，128.8，128.5，

77.3，77.0，76.7，52.9，52.7，52.2，43.9.HRMScalc.

C18H20O9：380.1107，found：380.1106.

目標產物（3aa）的譜圖為圖2-3：

2.2電化學氧化實現苯乙酮的雙β-二甲酯化的反應條件篩選（傳統石墨電極）

首先以石墨電極作為工作電極，苯乙酮1a和丙二酸二甲酯2a作為底物，進行反應。如果以KI為電解質，甲醇為溶劑，在20mA的電流下進行反應，可以19%的產率得到了雙官能團化的產物3aa，產率相對較低。為了催化反應，提高反應的產率，向該反應加入了堿。當選擇Na2CO3這種堿時，可以得到42%產率的產物。于是接下來就優化了一系列的堿，例如：K2CO3、Ca（OH）2、LiOH、K3PO4、Et3N等，實驗結果表明對此反應來說，KOH是最優的堿，得到目標產物的產率最高。緊接著又優化了一些電解質，例如：NaI、Bu4NI、Bu4NBr、LiClO4等電解質，實驗結果表明，碘離子對此反應是必要的，加入的電解質中如果不含有碘離子，此反應是不能進行的。于是就優化了很多的碘鹽，實驗結果表明，KI對此反應是最優的碘鹽，得到目標產物的產率最高。最后，又優化了不同的溶劑，例如DMSO、CH3CN、CH2Cl2等溶劑，實驗結果表明，甲醇是最優的溶劑，得到目標產物的產率最高，如果把甲醇換成其他的溶劑，這個反應是不能進行的，甲醇是質子性溶劑，可在負極被還原成甲氧基負離子和氫氣。因此，以石墨電極為工作電極，該反應的最優條件如下圖4：以KOH為堿，KI為電解質，甲醇為溶劑，室溫下以20mA的電流電解三個小時。在該反應條件下得到目標產物的產率為47%。

2.3不同電極對電化學氧化實現苯乙酮的雙β-二甲酯化反應的影響

以上的實驗研究均以石墨電極為工作電極進行的條件篩選優化過程，雖然普通的石墨電極是在有機電化學中比較常用的，但是其局限性也逐漸顯現出來，因為其表面沒有經過任何修飾，使其催化反應的類型及范圍都不是很廣泛。因此，設計了不同的電極材料，研究了不同電極材料對電化學氧化實現芳香酮的雙β-二甲酯化的影響。

近年來，納米修飾電極成為電化學研究的熱點，利用電極上析出不同形貌的金屬促進有機反應，在這個過程中可以通過改變反應的溶劑、時間，反應的電壓、電流等調控納米粒子的粒徑。目前，該方法已經被用于制備多種單金屬和雙金屬納米材料，包括Pd、Au、Ag、FeCo等。現在已發展的修飾電極方法主要有共價鍵合法、吸附法、聚合物薄膜法和電沉積法，利用這些方法我們可以在電極表面引入一些有用的官能團或者納米金屬，從而對化學反應產生較大的促進作用，例如用納米Au修飾的玻碳電極，可以在電化學條件下沒有酶的參與就能實現葡萄糖的氧化，而且Pt/Au雙金屬納米顆粒修飾的電極可以實現甲醇的氧化等。

目前納米修飾電極在電化學有機合成方面的應用較少，納米修飾電極的表面積較大，有較高的催化活性，用其來實現一些傳統有機合成反應的前景是很廣闊的。

因此，制備了一系列的納米修飾的石墨電極，例如納米銅修飾的石墨電極、納米金修飾的石墨電極等。以上述制備的修飾電極為工作電極，研究了苯乙酮1a和丙二酸二甲酯2a的反應，以上述最優條件為反應條件：以KOH為堿，KI為電解質，甲醇為溶劑，室溫下以20mA的電流電解三個小時。該反應的產率有一定的提高，納米金修飾的石墨電極和納米銅修飾的石墨電極作為工作電極時，產率分別為58%和69%。

隨后，我們以鉑電極作為工作電極，研究了苯乙酮1a和丙二酸二甲酯2a的反應，以上述最優條件為反應條件：以KOH為堿，KI為電解質，甲醇為溶劑，室溫下以20mA的電流電解三個小時。驚奇地發現，該反應的產率提高至82%。

由上述實驗結果得出不同電極的收率柱狀圖（圖5），由此可見，相對于石墨電極，納米金和納米銅修飾的石墨電極對苯乙酮雙β-二甲酯化反應有促進作用，產率有一定程度的提高，但鉑電極對該反應的催化效果更明顯，產率可提高至82%。由此可見，鉑電極比傳統石墨電極、納米修飾的石墨電極的導電性強，電化學催化效果更好。

3結論

本文研究了傳統石墨電極、修飾石墨電極和鉑電極對苯乙酮雙β-二甲酯化反應的影響，并對反應條件進行了篩選，實現了苯乙酮的sp3CH雙官能團化的反應。該反應條件溫和，在常溫常壓下即可進行，并且反應體系中沒有添加金屬催化劑和氧化劑，符合綠色有機合成化學的要求。

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