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《Nature》报道新催化模式，高效节能的醇羟基电催化氧化
“你是电，你是光，你是唯一的神话，我只爱你，You are my super star”……神曲的旋律暂且先放在一边，在主打“绿色化学”的今天，化学圈里的“super star”们也在用“电”、用“光”催化化学反应，高效节能绿色环保地演绎着化学中的神话。比如说Phil S. Baran发表在《Nature》上的电催化烯丙位氧化（点击阅读详情），再比如说David W. MacMillan发表在《Science》上的光氧化还原催化反应（点击阅读详情）。
今天，我们要解读的是发表在《Nature》上题为“Cooperative electrocatalytic alcohol oxidation with electron-proton-transfer mediators”的新上好文（DOI: 10.1038/nature18008），利用电子质子转移媒质实现了醇羟基的电催化氧化。作者是来自威斯康星大学麦迪逊分校化学系的Shannon S. Stahl（香农-斯塔尔），他一直致力于绿色化学方面的研究，包括氧气参与的氧化反应、利用太阳能驱动反应等，也曾培养了许多知名学者，包括上海有机所的刘国生研究员和浙江大学的陆展研究员等。
Shannon S. Stahl教授。图片来源：University of Wisconsin-Madison
Cu/TEMPO（2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine N-oxyl）及类似的催化体系用于醇羟基的氧化反应，已被广泛研究。早期人们以为，在这样的共催化体系中，铜的作用是用于催化氧气氧化羟胺到氮氧化物，但后来的研究发现，Cu/TEMPO催化体系和半乳糖氧化酶（图1e，活性位点为酪氨酸衍生的苯氧基自由基结合在二价铜中心）的作用机理类似，都是二价铜和氧自由基作为氧化剂的协同机理，是两个一电子的氧化剂，而不同于许多常规的氧化体系（如TEMPO+、四价铬、三价碘、二价钯、三价铱等）是一个两电子氧化还原步骤。如图1c，单独的TEMPO氧化是氮氧化物得到两个电子，而在图1d中，Cu/TEMPO共氧化体系中铜得到一个电子，氮氧化物得到一个电子，可以看出，共催化剂是电子转移的媒质，同时也是质子转移的媒质。
图 1. 图片来源：Nature
这种独特的Cu/TEMPO共氧化在电催化的醇羟基氧化中具有重要意义，因为，在适当的条件下，可能在非常低的电极电势下就能产生TEMPO•自由基，而不是像产生TEMPO+正离子那样，需要较高的电极电势。为了验证这一假设，作者在无氧条件下设计了如下实验：通过记录联吡啶铜络合物/TEMPO(bpy)Cu/TEMPO的电化学行为，显示了(bpy)Cu(II)/(bpy)Cu(I)和TEMPO+/•分别在 −0.18 V和 +0.24 V准可逆的特点（图2a）。在缺少质子源的情况下，循环伏安图中观察不到TEMPO/TEMPOH的氧化还原特征，而在加入布朗斯特碱2,6-二甲基吡啶 2,6-lutidine（同时也是质子受体）后，就可以发现(bpy)Cu(II)(OTf)2有效促进TEMPOH到TEMPO的氧化。如图2b所示的催化循环，(bpy)Cu(II)和苄醇以及TEMPOH的分光光度证据则表明(bpy)Cu(II)能促进苄醇和TEMPOH二者的氧化，电化学再生(bpy)Cu(II)则为醇电催化氧化提供了依据（图2）。
图 2. 图片来源：Nature
没有布朗斯特碱存在时，(bpy)Cu(II)(OTf)2的电化学行为不受TEMPOH和苄醇的影响，当加入2,6-lutidine时，(bpy)Cu(II)/(bpy)Cu(I)的阳极峰值电流略有增加，这大致反映了铜催化剂在循环伏安扫描时刻的催化效率，因此，很有必要对其它碱也进行筛选，包括N-甲基咪唑（NMI），4-（二甲氨基）吡啶，2-（二甲基氨基）吡啶，1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷，三乙胺、二异丙胺、异丙胺、丁胺，二丁胺、正丁胺和NaOH水溶液（详细信息参考原文补充材料），通过筛选，发现三乙胺特别有效。
通过对反应条件的优化，来对(bpy)Cu/TEMPO/Et3N催化体系的催化效能进行评估，并在一定的扫描速率下进行分析，在该速率下，和反应速率成正比的催化电流对扫描速率没有依赖性，只对Et3N和TEMPO表现出了相关性，这两个组分的浓度分别选定为50 mM 和5 mM，在这样的条件下，催化电流对[(bpy)Cu]表现出了一级线性相关，而对[PhCH2OH]表现为半序相关。采用之前文献（ChemElectroChem, 2014, 1, 1226-1236）提到过的动力学方法对结果进行分析，S形的循环伏安图表明电催化不受碱、底物或者TEMPO向电极扩散的影响，催化电流只取决于有催化剂参与的那些化学步骤。
另外动力学同位素实验和Hammett方程表明，当分别氧化苄醇PhCH2OH和氘代苄醇PhCD2OH时，对于(bpy)Cu/TEMPO催化体系，动力学同位素效应为1，而对于单独的TEMPO催化体系，动力学同位素效应为3.2，且其Hammett方程数据和醇羟基的氢转移到TEMPO+的氢转移步骤为决速步是一致的（图3a,b）。
图 3. 图片来源：Nature
而利用三种不同催化体系(bpy)Cu/TEMPO、(bpy)Cu/ABNO和单独的TEMPO对六个不同位阻和电性的醇羟基的电催化氧化可以看出，两个铜/氮氧化物(bpy)Cu/nitroxyl催化体系的速率明显高于单独的TEMPO催化体系，发生反应的电势低了0.5 V（-0.14对+0.36）。而(bpy)Cu/ABNO 活性高于 (bpy)Cu/TEMPO则反映了位阻效应在该类反应中的重要影响。
以上这些实验结果表明，在铜/氮氧化物催化体系中，经历了一个质子/两个电子氧化的协同催化过程。这种产生醛酮的方式让人不禁想起贵金属催化氧化中常见的“β-氢消除”过程，不同的是，(bpy)Cu/TEMPO催化体系中，并不是直接的氢转移到金属中心，而是一个协同的过程，二价铜作为吸收一个电子的氧化剂，而氮氧化物则是质子电子接受体，既吸收一个电子，也得到一个质子。
总结：
本文作者通过采用(bpy)Cu/TEMPO催化体系实现了醇羟基的电催化氧化，通过对于反应机理的研究和探索，可以看出，这种共催化剂实际上经历了协同催化的机理，是质子电子转移媒质，不同于以往的两电子转移的氧化，这是两个一电子转移的氧化过程，这种新型的电催化氧化模式，可以在较低的电极电势下发生反应，不仅是一种节能高效的反应，还是对传统的电子质子转移分开的催化体系的重要补充，将在电催化领域具有重要应用。
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature18008.html
Shannon S. Stahl课题组主页：http://stahl.chem.wisc.edu/stahl