祝贺宁左州在中国科学：化学发表文章 电化学时间调控的杂芳环氧化偶联/偶联环化反应
发布时间：2022-08-29
有机电化学合成以电子为试剂，通过电子的得失实现反应物质的还原和氧化，可以从源头上有效避免昂贵和具有一定毒性的氧化还原试剂的使用，是一种非常引人关注的绿色有机合成手段。有机电合成可方便调节所用电量，所施加电势精准调控反应的程度以及实现反应的选择性。更重要的是，有机电合成反应由于其独特的开展要素，具有众多反应特征，例如在近似反应条件下改变负极材料或正极材料，即可选择性的获取不同结构的产物（图1a, 1b，1c）；相同反应条件下，仅改变反应溶剂也可高选择性的获取迥然相异的产物（图1d）。
暨南大学冯鹏举教授课题组主要关注于发现电化学有机合成的独特属性，实现新反应的开发。其中，在芳杂环衍生化反应方向上发展了芳杂环与苯酚的区域选择性C-N脱氢偶联（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 14, 4160），芳杂环与苯胺的高效C-N偶联（Green Chem. 2021, 23, 8853），电极选择性实现芳杂环的氧化/氧化偶联反应（Org. Chem. Front. 2022, 9, 3800），以及苄基氧化脱氢唑胺化反应（Sci. China Chem. 2021, 64, 800-807）等。
吲哚及其衍生物广泛存在于天然产物及药物分子中，是一类重要的有机骨架。近日，该课题组利用电合成持续通电逐步氧化吲哚，实现了传统方法无法实现的反应时间调控的吲哚脱氢偶联反应/偶联环化反应，构筑重要有机砌块（图1e）。
图1 电化学条件下吲哚去芳构化反应实例
通过条件优化，合理控制反应时间，尽量消耗吲哚原料而控制中间产物的进一步氧化可选择性的合成不同类型吲哚脱氢自偶联产物，反应表现出良好的的底物兼容性，对于大多数给电子基、吸电子基以及卤素等底物均能很好的兼容，吲哚N-H上有无取代基对自偶联反应影响不大。若通过改变N-H上的保护基以改变其电性，则可以中等的收率得到吲哚衍生物与苯并噻吩、苯并呋喃衍生物的脱氢交叉偶联产物。关键产物均得到单晶以进一步确证结构（图2）。图2 氧化偶联底物扩展情况
仅调控反应时间，在其他反应不变的情况下，该反应可以较好的收率选择性地生成杂芳环的氧化偶联-氧化关环产物，产物为具有拥挤季碳中心的多环杂芳烃。反应同样表现出较好的底物兼容性，自偶联及交叉偶联产物均可进一步环化，生成多环分子。研究发现，第一步氧化偶联产物发生后，产物在反应溶剂中表现出具有明显差异的溶解性，若中间产物在反应溶液中溶解性较低，则后续环化产物给出较低的收率（图3）。图4 反应扩展及产物性质
机理探索表明，吲哚衍生物经历失去单电子过程，其他杂芳环也可能电解失去单电子；中间产物3a生成后，可进一步氧化关环生成最终的产物4a。结合对原料及中间产物循环伏安法的测试，可能的反应机制是芳杂环首先失去单电子生成阳离子自由基，与另一分子芳杂环发生SNAr反应，经氧化，芳构化得到偶联产物，偶联产物在原料杂环消耗完之前可稳定存在，随后其进一步被氧化，发生关环反应（图5）。图5 反应机理的探索及可能的反应过程
综上所述，这项工作仅以调控反应时间选择性实现吲哚衍生物的氧化偶联及偶联环化反应，合成多环吲哚衍生物，反应可克级制备，同时产物表现出丰富的荧光性质，反应为多环吲哚衍生物构筑提供了简洁绿色的合成方法。论文第一作者为暨南大学硕士研究生宁左州和张志成，通讯作者为冯鹏举教授。详见： Zuozhou Ning, Zhicheng Zhang, Qingsong Yan, Naifu Zhou, Linzi Wen, Xichao Peng, Yu Tang, Pengju Feng. Electrochemically time-dependent oxidative coupling/coupling-cyclization reaction between heterocycles: tunable synthesis of polycyclic indole derivatives with fluorescence properties. Sci. China Chem., 2022, 65(10): 1962-1967.