电化学条件下Barbier-Grignard型反应*

查正根 张丽 汪志勇

(中国科学技术大学化学与材料科学学院 安徽合肥230026)

有机电化学合成是一门有机合成与电化学技术相结合的边缘学科，主要研究有机分子或催化媒质在电极/溶液界面上电荷相互传递，电能与化学能相互转化及旧键断裂、新键形成的规律［1］。

与传统化学合成方法比较，有机电化学合成具有以下优势:①反应中不需要添加有毒或者危险的氧化剂和还原剂，电子就是反应试剂。因此合成产物易分离和精制，可大幅降低环境污染。②在电合成过程中，可通过改变电极电位合成不同的有机产品;同时也可通过控制电极电位，使反应按预定的目标进行，从而获得高纯度的有机产物，产率和选择性均较高。③在反应体系中，电子转移和化学反应这两个过程可同时进行，从而能缩短合成工艺，减少设备投资。④反应可在常温、常压下进行，一般不需要特殊的加热和加压设备，不仅可以节省较多的能源和设备，而且操作简单，使用安全。⑤有机电合成的装置具有通用性，在同一电解槽中可进行多种合成反应。改变某一电极材料或反应液就能合成某种新的有机产品，尤其适合于多品种、小批量的生产部门。⑥在有机电化学合成过程中，可任意改变氧化或还原反应的速度，亦可随时终止或起动反应［1］。

近30年来，水介质中碳碳键的形成一直是研究的热点，其优越性也逐渐被人们所认知［2-3］。在已发现的水相金属有机反应中，水相烯丙基化反应是研究得较多和较深入的反应之一。该类反应由于发展速度较快，新的金属及金属体系参与的烯丙基化反应不断被报道［4］。参与烯丙基化反应的金属有:锌，锡，铟，镓等。该类反应的缺点无法脱离大量金属的参与，导致后处理复杂及对环境的污染。在电化学条件下，金属可在阴极以不同的形貌析出，并能重复利用，因此电化学合成为该类反应提供了广阔的应用前景。

本文简要概述电化学在有机相和水相Barbier-Grignard型反应中的研究与应用。

1 电化学条件下In促进的Barbier-Grignard反应

2001年，Hilt［5］首次将电化学应用于有机溶剂中的烯丙基化反应，实现了电化学产生高活性的低价铟(Ⅰ)催化形成碳碳键(反应(1))。作者提出的反应机理如图1所示。首先是在阳极溶出铝金属，保持新鲜的表面，并将In3+还原成In，In经过在阳极表面的再氧化过程转化成高活性的In+，从而氧化加成到烯丙基溴上实现烯丙基化反应。这是首次实现的电化学产生高活性的In+并成功地应用到了烯丙基化反应中，反应的底物可以是醛、酮和羧酸酯。

图1 Al电极上产生In+促进的烯丙基化反应

随后，2003年Hilt等［6］实现了三组分串联成对电解合成保护的高烯丙基醇(图2)。作者将反应(1)体系中的阴极铂电极换成铟电极，实现了阴极上In3+的直接还原，从而参与烯丙基化反应产生活性中间体1;同时，阳极上四氢呋喃氧化成活性中间体2，从而进一步与活性中间体1发生反应生成保护的高烯丙基醇3。

图2 In促进的被保护的高烯丙醇串联成对电合成

2 电化学条件下Sn促进的Barbier-Grignard反应

本课题组在已有的关于金属锡参与的烯丙基化反应的基础上，2005年首次报道了可循环的电化学原位产生金属锡参与水相烯丙基化反应(反应(2))［7］。此反应中的锡和水都可以循环利用，而且电极无消耗。芳香醛和脂肪醛都能被烯丙基化，含有乙缩醛的底物不会水解生成副产物，巴豆基溴参与的反应主要生成γ区域选择性产物。

2010年，我们在上述报道的基础上实现了成对电合成羰基化合物和高烯丙基醇的反应，如图3所示［8］。利用自制的盐桥将两个分开的电解池连接起来，阴阳两极同时发生反应，从而使阴阳两极有效利用，相比于之前只利用了阴极的体系电流效率大大提高。具体反应是:在阳极，Br-氧化生成Br2，从而氧化醇生成羰基化合物;同时，在阴极Sn2+还原成单质Sn，从而催化羰基化合物和烯丙基溴发生烯丙基化反应。为了避免有机物在电极上发生副反应，体系分成两相，有机物底物用二氯甲烷溶解后处在下层，无机盐溶解在水相中处于上层，电极插在上层的水相，采用电解和搅拌交替进行的方式以完成反应。

图3 在分开电解池中羰基化合物和高烯丙醇成对电合成

由于反应过程中生成了有毒的单质溴，所以我们对反应体系进行了改进，在进一步的优化条件过程中，实现了苄醇在阳极上的直接电氧化，从而避免了溴的使用，体系也由之前的两相简化为单一水相，如图4所示［9］。

图4 在分开电解池中羰基化合物和高烯丙醇成对电合成优化

2011年，我们课题组在上述报道的基础上实现了电化学串联反应:在水相中一锅法从醇合成高烯丙基醇(反应(3))。如图5所示［10］，醇在阳极上氧化成羰基化合物，同时Sn2+在阴极上原位还原成Sn，从而催化羰基化合物和烯丙基溴发生烯丙基化反应。这是首次实现的电化学串联反应从醇合成高烯丙基醇，反应中的阳极和阴极都被有效利用，同时烯丙基化反应的底物类型由传统的羰基化合物拓展到了醇类物质。

研究表明，在不同电极上，析出不同形貌的Sn对醇的烯丙基化反应以及反应机理有影响。在石墨电极上析出的毛绒状Sn比在铂电极上析出的棒状Sn活性高，且反应产率也高(图6)。

图5 在未分开电解池中由醇电合成高烯丙醇

图6 Sn的SEM照片

3 电化学条件下Zn促进的Barbier-Grignard反应

2009年，Huang等［11］报道了在氨水中Zn促进的电化学烯丙基化反应(反应(4))。在碱性条件下，利用牺牲阳极产生Zn2+，Zn2+在阴极上再析出一定形貌的活性Zn，从而参与反应。在这个反应体系中，牺牲阳极时消耗的Zn是化学计量的。紧接着，2010年，该小组报道使用催化量的锌实现了该反应［12］。在阴极室使用的是偏酸性的氯化铵溶液，这样锌阴极就会溶解一些到溶液中去释放出Zn2+，Zn2+会在通电后从阴极上还原出来;在阳极发生的是电解水的反应，释放出氢离子，氢离子透过离子交换膜维持两边的pH平衡，也有利于锌电极的进一步溶出。总的结果是，每次反应结束后，将锌阴极拿出来称量，结果是消耗了催化量的锌。这较之以前牺牲阳极的体系有所改进。在此基础上，Huang等［13］在2011年报道了水相中电化学产生纳米锌促进的简单亚胺的烯丙基化反应(反应(5))。反应的类型也从烯丙基化反应拓展到部分卤代烃的烷基化反应(反应(6))。

R1=芳基，烷基;R2=芳基，烷基;R3=氢，甲基;产率:62%～97%

4 电化学无金属条件下促进的Barbier-Grignard反应

由于大量使用金属盐和金属电极，对环境造成很大负担。Hilt小组尝试了不用金属促进的电化学反应，结果实现了DMF保护的高烯丙基醇的串联电合成，如图7所示［6］。首先烯丙基溴在阴极上得到电子生成烯丙基阴离子，与芳香醛反应生成中间体4，在阳极，DMF氧化生成亚胺正离子5，亲核中间体4遇到亲电中间体5生成了DMF保护的高烯丙基醇6。作者指出，亲核性的烯丙基负离子并没有与亲电性的亚胺正离子5反应生成产物7，即使是在不加芳香醛的条件下情况也是一样。作者认为这是因为电解产生的活性中间体(如烯丙基阴离子)是吸附在电极上的，从而不容易反应，抑或是这些电解产生的活性中间体在溶液中稳定性很差的缘故，可以得到中等产率的产物。

图7 甲酰胺保护的高烯丙醇串联成对电合成

Fuchigami小组也报道了利用两入口微流反应器化学选择性实现羰基化合物的烯丙基化反应(图8)［14］。醛和烯丙基卤两种反应物分别从两个入口进入反应器，反应器足够小，两种溶液界面很稳定，以致两种溶液界面只存在扩散一种质量传递过程。当阴极是铂电极时，苯甲醛从阴极端进样，发生还原反应，烯丙基卤从阳极端进样，如图8(a)所示，主要得到α-型产物;而当阴极是银电极时，烯丙基卤从阴极端进样，发生还原反应，苯甲醛从阳极端进样，如图8(b)所示，主要得到γ-型产物。作者利用合适的流动模式和相应的阴极材料，实现了产物的区域选择性合成。

Navarro小组也报道了在无溶剂凹电解槽中用石墨粉末阴极实现的无金属的电化学烯丙基化反应(反应(7))［15］。羰基化合物和烯丙基卤的混合物在石墨粉末阴极上还原得到高产率的高烯丙基醇，催化量的银或四丁基四氟硼酸铵可以显著提高反应产率，此外，烯丙基氯的效果比烯丙基溴更好。

图8 在两入口微流反应器中使用平行层流化学选择性阴极还原

5 结束语

综上所述，电化学合成可使Barbier-Grignard型反应更加绿色、更加高效，条件温和，后处理简单，为有机化学注入新的内容以及为实验教学带来绿色合成方法。随着有机电化学合成的日趋成熟，有机电化学合成必将在人类发展的历史上获得长远的发展并展示出更加美好的前景。

［1］Lund H，Hammerich O.Organic Electrochemistry.4th ed.New York:Marcel Dekker Inc，2001

［2］Li C-J.Chem Rev，2005，105:3095

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［4］査正根，郑小琦，汪志勇.大学化学，2009，24(4):40

［5］Hilt G，Smolko K I.Angew ChemⅠnt Ed，2001，40:3399

［6］Hilt G.Angew ChemⅠnt Ed，2003，42:1720

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［8］Zhang L，Zha Z G，Wang Z Y，et al.Tetrahedron Lett，2010，51:1426

［9］Zhang L，Zha Z G，Wang Z Y.Synlett，2010，13:1915

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［13］Huang J-M，Wang X-X，Dong Y.Angew ChemⅠnt Ed，2011，50:924

［14］Amemiya F，Fuse K，Fuchigami T，et al.Chem Commun，2010，46:2730

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