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Angew熱點(diǎn)文章:通過電化學(xué)還原實(shí)現(xiàn)醇類和羰基化合物的脫氧官能團(tuán)化反應(yīng)

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2025-08-25
導(dǎo)讀:近日,美國康奈爾大學(xué)林松團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種通用的活化策略,該策略采用氫硅烷作為活化試劑,使醇類、羰基類及酯類化合物能夠轉(zhuǎn)化為常見的硅醚中間體。通過對原位生成的硅醚進(jìn)行電化學(xué)還原,可實(shí)現(xiàn)C-O鍵的斷裂并生成碳負(fù)離子,其可與多種親電試劑反應(yīng),從而高效構(gòu)建C-Si、C-B、C-Ge及C-Sn鍵。文章鏈接DOI:10.1002/anie.202510069

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.


正文

含氧官能團(tuán)(如醇、醛、酮和酯等),廣泛存在于各類天然產(chǎn)物、藥物分子及原料化學(xué)品中。鑒于其廣泛存在性,開發(fā)對這些基團(tuán)進(jìn)行選擇性官能團(tuán)化的方法已成為合成化學(xué)的重要目標(biāo)。由于C-O鍵和C=O鍵固有的高強(qiáng)度,在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)脫氧轉(zhuǎn)化前通常需要預(yù)先活化這些基團(tuán)(Figure 1a)。同時(shí),由于醇類、酮類與酯類性質(zhì)的顯著差異,其脫氧轉(zhuǎn)化的傳方法統(tǒng)依賴于不同的活化策略,而適用于所有氧化態(tài)的普適性方法迄今尚未實(shí)現(xiàn)。前期,化學(xué)家們開發(fā)了脫氧官能團(tuán)化反應(yīng),例如醇類化合物的Barton-McCombie-型脫氧官能團(tuán)化反應(yīng)、羰基化合物的Wolff–Kishner-型脫氧官能團(tuán)化反應(yīng)與酯類化合物的Kulinkovich-型脫氧官能團(tuán)化反應(yīng)(Figure 1a)。近年來,鑒于有機(jī)硅烷作為實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定的交叉偶聯(lián)試劑,有機(jī)硅化學(xué)的發(fā)展受到特別關(guān)注。除采用有機(jī)硅烷進(jìn)行的經(jīng)典的Hiyama-Denmark偶聯(lián)和Hosomi-Sakurai烯丙基化等反應(yīng)外,多種電化學(xué)介導(dǎo)及堿介導(dǎo)策略已形成互補(bǔ)。有機(jī)硅烷(尤其芐基與烯丙基變體)在交叉偶聯(lián)之外的多種C-C鍵構(gòu)建反應(yīng)中,??勺鳛檠诒翁加H核試劑使用。盡管其應(yīng)用廣泛,傳統(tǒng)有機(jī)硅烷合成方法通常需使用強(qiáng)反應(yīng)性的有機(jī)鋰或有機(jī)鎂試劑。因此,利用易得前體在溫和條件下制備有機(jī)硅烷,將顯著提升有機(jī)硅試劑的可及性。為此,醇類衍生物的脫氧硅基化策略備受關(guān)注。盡管Martin、Oestreich、Shishido等研究者已取得諸多進(jìn)展,但現(xiàn)有方法仍需使用昂貴或難獲取的硅基親核試劑或貴金屬催化劑(Figure 1b)。2023年,林松團(tuán)隊(duì)(J. Am. Chem. Soc. 2023145, 16966.)利用頻哪醇硼烷(HBpin)作為原位活化試劑和親電試劑,實(shí)現(xiàn)醇類、醛類和酮類化合物的電化學(xué)脫氧硼基化反應(yīng)(Figure 1c)。雖然使用單一試劑同時(shí)作為底物活化劑和官能團(tuán)源具有便捷性,但該方法將反應(yīng)產(chǎn)物類型限定為烷基硼酸酯類化合物。此外,對照實(shí)驗(yàn)表明,該硼酸酯中間體本身可作為親電試劑,使反應(yīng)路徑復(fù)雜化,導(dǎo)致難以通過額外引入親電試劑引入其他的官能團(tuán)。為了解決上述缺陷,林松團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)一種新型活化策略,使其與后續(xù)碳負(fù)離子捕獲步驟相互獨(dú)立。近日,林松團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種通用的活化策略,該策略采用氫硅烷作為活化試劑,使醇類、羰基化合物及酯類能夠轉(zhuǎn)化為常見的硅醚中間體(D)。通過對原位生成的硅醚進(jìn)行電化學(xué)還原,可實(shí)現(xiàn)C-O鍵的斷裂并生成碳負(fù)離子(F),其可與多種親電試劑反應(yīng),從而高效構(gòu)建C-Si、C-B、C-Ge及C-Sn鍵(Figure 1d)。歡迎下載化學(xué)加APP到手機(jī)桌面,合成化學(xué)產(chǎn)業(yè)資源聚合服務(wù)平臺。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

其次,作者以硅基醚衍生物1作為模型底物,進(jìn)行了相關(guān)反應(yīng)條件的篩選(Figure 2a)。當(dāng)以Me3SiCl(3.2 equiv)作為親電試劑,C(-)/Mg(+)作為電極,i為10 mA,j為2.75 mA/cm2,Q為2.5 F/mol,nBu4NClO4(2.0 equiv)作為電解質(zhì),THF/TPPA(比例為3:1)作為混合溶劑,在22 oC反應(yīng),可以88%的收率得到芐基硅烷產(chǎn)物2。同時(shí),作者發(fā)現(xiàn),在相同的反應(yīng)條件下,不同取代的硅基醚反應(yīng)差異性較大(Figure 2b)。其中,在硅原子上引入吸電子烷氧基可通過降低C-O鍵活化所需的還原電勢,從而實(shí)現(xiàn)更高選擇性。當(dāng)引入單個(gè)烷氧基時(shí),可使收率從49%顯著提升至69%。當(dāng)硅中心被第二個(gè)或第三個(gè)烷氧基取代時(shí),反應(yīng)收率進(jìn)一步提升至72%。此外,通過建模模擬芐位C-O鍵單電子誘導(dǎo)斷裂過程的還原電勢,對此趨勢開展了計(jì)算化學(xué)研究(Figure 2c)。計(jì)算結(jié)果表明,三烷基硅醚(Si-I)僅在深度還原條件下發(fā)生還原,但烷基被烷氧基取代后,還原電勢顯著提高(如Si-II、Si-IIISi-IV)。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

為了進(jìn)一步提高操作的簡易性,作者開發(fā)了一種一鍋法策略(Figure 3a)。以芐醇衍生物5與二甲基甲氧基硅烷(DMMS,1.2 equiv)為底物,在催化量叔丁醇鉀(KOtBu)存在下,可在四氫呋喃溶劑中迅速反應(yīng),生成硅醚產(chǎn)物6。其中,催化量堿的加入是必不可少的,而在活化階段加入電解質(zhì)并沒有阻礙反應(yīng)性。值得注意的是,通過延長反應(yīng)時(shí)間和/或增加硅烷當(dāng)量,該條件同樣適用于羰基化合物(7)和酯類化合物(8)的氫硅加成反應(yīng)(Figure 3b)。然而,對于羧酸(9)以及酸酐(11),均未能進(jìn)行反應(yīng)(Figure 3c)。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

在獲得上述最佳反應(yīng)條件后,作者對醇的底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Scheme 1)。首先,一系列一級、二級與三級醇衍生物,均可順利進(jìn)行反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2、413-25,收率為45-87%。然而,4-氯芐醇如12,未能有效的進(jìn)行反應(yīng)。其次,對于烯丙基醇衍生物,可進(jìn)行轉(zhuǎn)位官能團(tuán)化反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物26-29,收率為36-61%。同時(shí),通過延長電解時(shí)間并增加氫硅烷用量,二醇可通過雙重脫氧官能團(tuán)化反應(yīng)高效轉(zhuǎn)化為雙硅烷或環(huán)硅烷化合物30-32,收率為54-93%。此外,醇類化合物可轉(zhuǎn)化為氫硅烷(33,收率為63%)和二硅烷(34,收率為79%),這些產(chǎn)物可進(jìn)一步加工利用于材料化學(xué)領(lǐng)域。通過上述的策略,還可高效制備有機(jī)鍺(35,收率為43%)和有機(jī)錫烷(36,收率為52%)化合物。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

緊接著,作者對酮的底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Scheme 2)。首先,一系列脂肪族和芳香族雜環(huán)取代的羰基化合物,均可順利進(jìn)行反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2、1437-50,收率為43-79%。其次,β-紫羅蘭酮被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的烯丙基硅烷產(chǎn)物51,在位阻較小的位點(diǎn)表現(xiàn)出高度的區(qū)域選擇性(區(qū)域異構(gòu)體比例17:1)。此外,與醇類化合物類似,羰基化合物可與多種親電試劑發(fā)生官能團(tuán)化反應(yīng),獲得相應(yīng)的芐基三乙基硅烷(52)、氫硅烷(53-54)及有機(jī)硼烷(55),收率為61-97%。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

隨后,作者對酯類化合物的范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Scheme 3)。當(dāng)以苯甲酸酯為底物,合成了相應(yīng)的含有醚基取代基及雜環(huán)基團(tuán)的芐位硅烷產(chǎn)物2、2041,收率為84-88%。同時(shí),除甲酯衍生物外,乙酯衍生物也能高效轉(zhuǎn)化為硅烷產(chǎn)物56,收率為77%。并且,抗抑郁藥維拉佐酮的合成中間體,也可轉(zhuǎn)化為硅烷產(chǎn)物57,由于溶解性受限導(dǎo)致產(chǎn)率偏低(收率為29%)。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

最后,作者對反應(yīng)的實(shí)用性進(jìn)行了研究(Scheme 4)。首先,以酮衍生物58為底物,經(jīng)活化及后續(xù)電化學(xué)硅烷化反應(yīng)制得芐基硅烷中間體?59?,其經(jīng)硅膠過濾純化后,在氟化銫存在下先后進(jìn)行羧基化和甲基化反應(yīng),最終經(jīng)單次柱層析分離,可以57%收率得到萘普生甲酯化合物60。其次,通過芐基硅烷?24?與氰基吡啶?61?進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng),可以44%收率獲得Zatolmilast類似物62?(該藥物目前處于治療Fragile-X綜合征的三期臨床試驗(yàn)階段)。此外,化合物40與醛衍生物63進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng),成功制得天然產(chǎn)物Combretastatin的甲基化衍生物?64?,收率為51%。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.


總結(jié)

美國康奈爾大學(xué)林松團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種兩步一鍋法策略,可實(shí)現(xiàn)醇類、羰基類及酯類化合物的脫氧官能團(tuán)化反應(yīng)。該研究為含氧化合物的脫氧官能化提供了一種高效、通用的電化學(xué)策略,解決了傳統(tǒng)方法條件苛刻、底物局限性的問題。通過硅烷活化與電還原的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了從廉價(jià)原料到高值硅烷試劑的綠色轉(zhuǎn)化,為復(fù)雜分子合成和交叉偶聯(lián)反應(yīng)提供了新思路。

文獻(xiàn)詳情:

Deoxygenative Functionalization of Alcohols and Carbonyl Compounds via Electrochemical Reduction.
Andrew J. Ressler, Jesus I. Martinez Alvarado, Ruchira Hariharan, Weiyang Guan,Song Lin*. 
Angew. Chem. Int. Ed.2025
https://doi.org/10.1002/anie.202510069
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