探尋綠色的有機合成方法一直是有機化學(xué)家最具挑戰(zhàn)的研究課題之一。近年來，光促進的化學(xué)反應(yīng)因其溫和的反應(yīng)條件而受到廣泛關(guān)注（Chem. Rev. 2016, 116, 10075；Chem. Rev. 2013, 113, 5322）。最近，通過機械力/壓電材料作用的有機小分子合成引起了化學(xué)家的興趣（Science 2019, 366, 1500；Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 16357），該方法利用機械碰撞致使壓電材料發(fā)生分子極化，從而與反應(yīng)底物發(fā)生電子轉(zhuǎn)移（圖1B）。
近期，山東理工大學(xué)李新進課題組設(shè)計了一種電磁感應(yīng)促進的有機分子的氧化還原反應(yīng)。該研究的設(shè)計思路是在旋轉(zhuǎn)磁場中金屬導(dǎo)體通過切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過調(diào)控磁場強度、金屬導(dǎo)體長度以及旋轉(zhuǎn)頻率實現(xiàn)與反應(yīng)物的單電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)（圖1C）。在該研究思路指導(dǎo)下，作者成功實現(xiàn)了雜芳烴C?H鍵的高區(qū)域選擇性自由基三氟甲基化反應(yīng)和烯烴的氫三氟甲基化反應(yīng)（圖1D）。 圖1. 本研究的設(shè)計思路 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）作者利用自主設(shè)計的反應(yīng)裝置（示意圖如圖1E所示），使用三氟甲基硫鹽2a為三氟甲基源，3-甲基吲哚1a作為反應(yīng)底物，在旋轉(zhuǎn)磁場（B = 0.05T, v= 30Hz）和不銹鋼棒（L = 15mm）的作用下，能夠以93%產(chǎn)率得到目標(biāo)產(chǎn)物。在上述條件下，2b只能得到27%的產(chǎn)率，而還原電勢更低的2c無法進行反應(yīng)。作者推測電磁感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢應(yīng)該與反應(yīng)物的還原電勢相匹配才能誘發(fā)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)發(fā)生。因此，作者提高磁場強度以及旋轉(zhuǎn)頻率，令人高興地得到了預(yù)期目標(biāo)（圖2A）。進一步地研究發(fā)現(xiàn)，在一定程度上該反應(yīng)產(chǎn)率與磁場強度、金屬導(dǎo)體長度以及旋轉(zhuǎn)頻率呈正相關(guān)性（圖2B-D）。 圖2. 反應(yīng)條件篩選 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）作者對該反應(yīng)進行了詳細的機理探究。首先通過自由基抑制與捕獲實驗，檢測到三氟甲基自由基的加成產(chǎn)物（圖3A-B），說明該反應(yīng)過程涉及三氟甲基自由基中間體的產(chǎn)生。另外，作者通過XRD和SEM表征（圖3E-F），確定了反應(yīng)過程產(chǎn)生鐵粉。通過控制實驗（圖3C），初步驗證了該鐵粉主要是由金屬棒反應(yīng)過程中失-得電子導(dǎo)致的（圖1C）。通過控制實驗（圖3D, G），驗證了該鐵粉不會還原三氟甲基試劑2b產(chǎn)生三氟甲基自由基。隨后，作者驗證了機械碰撞（圖3H-I）以及溫度（圖3J-K）對反應(yīng)的影響。進一步地，通過雙電極對比實驗，說明鋼棒被極化后能夠發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)（圖3L）。為了驗證單電子還原反應(yīng)發(fā)生在金屬導(dǎo)體表面，作者對反應(yīng)前后的鋼棒進行SEM表征（圖3M）。最后，作者提出了該反應(yīng)的可能機理（圖3N）。 圖3. 反應(yīng)機理探究 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）隨后，作者對該方法的底物普適性進行了研究，首先考察了雜芳烴的三氟甲基化反應(yīng)（圖4A）。在最優(yōu)條件下，富電子（雜）芳烴吲哚、吡咯等底物展現(xiàn)出良好的反應(yīng)性（3a-3q）。該方法具有良好的官能團兼容性，如氰基、氨基、鹵素、烷氧基、酰基和酯等。值得注意的是，升高磁感應(yīng)條件（B, L, v）能夠顯著提高吲哚（1i-1m）、吡咯（1n-1p）的三氟甲基化反應(yīng)區(qū)域選擇性。通過對比實驗初步證明這主要是由于提高磁場強度導(dǎo)致的。另外，在最佳反應(yīng)條件下，以水為氫源實現(xiàn)了烯烴的氫三氟甲基化反應(yīng)（圖4B）。該反應(yīng)適用于各種烯烴底物包括生物活性分子或藥物分子衍生物，以良好的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物（5a-5l）。進一步地，作者通過氘代實驗以及控制實驗，驗證該反應(yīng)的氫源來于水而不是溶劑（圖5）。 圖4. 反應(yīng)底物拓展 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）圖5. 烯烴的氫三氟甲基化反應(yīng)機理探究 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）為了進一步證明該方法的實用性，作者進行了克級放大實驗（圖6A）。另外，通過提高磁感應(yīng)條件（B, L, v），成功活化了還原電勢更低的二氟甲基雜芳基砜，以良好的產(chǎn)率得到相應(yīng)的二氟甲基化產(chǎn)物（圖6B）。圖6. 合成應(yīng)用 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）綜上所述，該研究工作創(chuàng)新性地將電磁感應(yīng)原理應(yīng)用到有機化學(xué)反應(yīng)中，開辟了一種新型的氧化還原反應(yīng)方法。該方法將磁場引入反應(yīng)體系，與光、機械力促進的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)相補充，通過后期深入探究磁場對反應(yīng)中間體的影響，有望解決目前化學(xué)反應(yīng)中存在的某些問題。
該工作以“Redox Reactions of Organic Molecules Using Rotating Magnetic Field and Metal Rods”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc（DOI: 10.1021/jacs.4c05987）。文章第一作者是山東理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生劉浩東和韓旭亮，通訊作者為山東理工大學(xué)李新進副教授、劉會和趙增典教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金的資助。李新進，山東理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師。2010年于山東科技大學(xué)獲得應(yīng)用化學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2016年獲得華東理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)工學(xué)博士學(xué)位（與中科院上海有機化學(xué)研究所聯(lián)合培養(yǎng)），導(dǎo)師：王利民教授、胡金波研究員；2016年6月任山東理工大學(xué)講師、副教授；2022年至2023年于美國佛羅里達大學(xué)化學(xué)系從事訪問學(xué)者工作，導(dǎo)師：William R. Dolbier教授。主要研究領(lǐng)域為有機含氟化合物的合成方法學(xué)研究，多能場調(diào)控的有機合成化學(xué)研究。迄今為止，以第一或通訊作者身份在J. Am. Chem. Soc., Org. Lett.等高水平期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。 文獻詳情：
Redox Reactions of Organic Molecules Using Rotating Magnetic Field and Metal Rods.Haodong Liu, Xuliang Han, Xiaomei Feng, Lizhi Zhang, Fenggang Sun, Fuchao Jia, Zengdian Zhao*, Hui Liu*, and Xinjin Li* https://doi.org/10.1021/jacs.4c05987
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