不同电极对电化学氧化实现苯乙酮双β-二甲酯化的影响

高惠惠

【摘 要】 有机电化学合成是直接利用电子的得失来实现氧化还原反应，进而实现有机合成，得到目标产物的过程，也是一门将有机合成化学和电化学技术相结合的交叉学科。在此体系中，通过电化学有机合成，成功地实现了苯乙酮α位sp3 C-H的双官能团化，而且该方法反应条件温和，常温常压下就能进行，不用额外添加催化剂和氧化剂，后处理也比较简单，符合绿色化学的要求。在文中主要研究了不同电极例如传统石墨电极、修饰石墨电极、铂电极等对电化学氧化实现苯乙酮的双β-二甲酯化的影响，并且对反应条件进行优化，得到较高产率的目标产物。

【关键词】 有机电合成;电化学氧化;不同电极;苯乙酮的双β-二甲酯化

【中图分类号】 O621.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）01-0097-03

利用电化学方法来实现有机化合物的合成被称为有机电化学合成，它是通过电子得失来实现有机化合物的氧化与合成。有机电化学合成是一门涉及电化学、有机化学及化学工程等学科的交叉学科。

传统的有机合成方法大多都需要金属催化剂或者氧化剂的加入，操作复杂，不符合绿色化学的要求。电化学合成只消耗电力，是通过电子的转移来实现化合物的氧化与还原，不需要额外添加氧化还原试剂，其成本和对环境的影响都具有巨大的优势。

自从1834年著名的有机电解反应“柯尔贝（Kolbe）反应”被发现后，有机电化学合成作为一种有用的有机合成方法有了很大的发展。电化学-有机合成方法学是最近的一个新热门，因其过程可控、绿色环保等优点作为重要的合成手段之一受到越来越多的关注，并取得了一系列的研究成果，例如Baran课题组报道了在碳和镍电极下选择性地实现了亚甲基和次甲基C-H键的官能团化。林松课题组报道了在电化学催化下，可立体选择性地将烯烃直接转化为邻二氯取代物。雷爱文课题组报道了电极作用下吲哚与硫酚的脱氢偶联反应高效构建C-S键，这是首例结合电化学的C-S键构建反应。徐海超课题组通过电化学氧化首次实现了从N-H键制备亚胺类氮自由基的方法，并将其应用于苯并咪唑及吡啶并咪唑的合成中等。这些例子都是相对于传统的化学方法，更绿色有效的合成目标分子，实现有机合成方法学的新突破。

电极材料在有机电化学合成中会直接影响有机反应的产率，甚至会决定有机反应体系的成败。不同材料的电极因其表面性质的差异，可以有选择性地合成一些化合物。由此可见，在有机电合成中，研制和筛选合适材料的电极是很重要的。因此，设计了不同的电极材料，研究了不同电极材料对电化学氧化实现芳香酮的双β-二甲酯化的影响。本文在之前工作的基础上，研究了传统石墨电极、修饰的石墨电极、铂电极对苯乙酮的双β-二甲酯化的影响，发展了一种在温和的条件下，实现苯乙酮sp3CH双官能团化的反应。这个研究具有非常重要的意义，开拓了sp3CH双官能团化的反应类型。

1实验部分

1.1实验试剂

苯乙酮、碘化钾、四丁基碘化铵、四丁基溴化铵、碘化钠、丙二酸二甲酯、丙二酸二乙酯、磷酸钾、氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸钾、三乙胺，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2实验设备及测试仪器

恒电位仪：上海雷磁恒电位仪DJS-292双显恒电位仪

NMR：Bruker-400MHz（1H NMR）和100MHz（13C NMR）核磁共振仪

GC-MS：岛津QP5005系列气质联用分析仪

1.3电极制备

传统电极：石墨电极

修饰电极的制备：以Nafion溶液为黏合剂，把修饰材料涂覆电极表面上，达到修饰电极的目的;也可以用电还原沉积的方法來制备，改变电流、电压、反应溶剂、时间、温度等条件，调控纳米粒子的粒径，不同形貌的纳米颗粒可以催化不同的有机反应，进而实现反应选择性的调控。

Pt电极：1.5×1.5cm2

2结果与讨论

2.1电化学氧化实现苯乙酮的双β-二甲酯化的具体实验操作（传统石墨电极）

以苯乙酮和丙二酸二甲酯为底物，在电化学条件下实现苯乙酮的双β-二甲酯化的实验操作步骤具体为图1：

依次将苯乙酮（0.5mmol）、丙二酸二甲酯（2mmol）、碘化钾（1mmol），加到非分开的电解槽中，以甲醇（8mL）作为溶剂，以传统石墨电极为工作电极，在恒电流条件下电解3-5个小时，电流为20mA，同时使用薄层色谱法（TLC）跟踪反应，直至原料完全反应消失后，关闭恒电位仪，停止该反应，先旋去溶剂甲醇，然后加入10mL的纯水，加入乙酸乙酯萃取（3×10mL），合并有机相并用无水Na2SO4干燥，静置半小时后，过滤，旋干溶剂后用湿法上样过色谱柱，得到的目标产物要在高真空条件下干燥至少半小时后才能进行称重和核磁表征。称重后得到的反应产率为19%，反应得到的目标产物（3aa）的结构数据为：1HNMR（CDCl3，400MHz，ppm）：δ=8.01（d，J=8Hz，2H），7.58（t，J=7.2Hz，1H），7.49-7.44（m，2H），4.87（t，J=8Hz，1H），4.11（d，J=8Hz，2H），3.72（s，6H），3.5（s，6H）;13CNMR（CDCl3，100MHz，ppm）：δ=198.7，168.1，167.9，136.2，133.4，128.8，128.5，

77.3，77.0，76.7，52.9，52.7，52.2，43.9.HRMScalc.

C18H20O9：380.1107，found：380.1106.

目标产物（3aa）的谱图为图2-3：

2.2电化学氧化实现苯乙酮的双β-二甲酯化的反应条件筛选（传统石墨电极）

首先以石墨电极作为工作电极，苯乙酮1a和丙二酸二甲酯2a作为底物，进行反应。如果以KI为电解质，甲醇为溶剂，在20mA的电流下进行反应，可以19%的产率得到了双官能团化的产物3aa，产率相对较低。为了催化反应，提高反应的产率，向该反应加入了碱。当选择Na2CO3这种碱时，可以得到42%产率的产物。于是接下来就优化了一系列的碱，例如：K2CO3、Ca（OH）2、LiOH、K3PO4、Et3N等，实验结果表明对此反应来说，KOH是最优的碱，得到目标产物的产率最高。紧接着又优化了一些电解质，例如：NaI、Bu4NI、Bu4NBr、LiClO4等电解质，实验结果表明，碘离子对此反应是必要的，加入的电解质中如果不含有碘离子，此反应是不能进行的。于是就优化了很多的碘盐，实验结果表明，KI对此反应是最优的碘盐，得到目标产物的产率最高。最后，又优化了不同的溶剂，例如DMSO、CH3CN、CH2Cl2等溶剂，实验结果表明，甲醇是最优的溶剂，得到目标产物的产率最高，如果把甲醇换成其他的溶剂，这个反应是不能进行的，甲醇是质子性溶剂，可在负极被还原成甲氧基负离子和氢气。因此，以石墨电极为工作电极，该反应的最优条件如下图4：以KOH为碱，KI为电解质，甲醇为溶剂，室温下以20mA的电流电解三个小时。在该反应条件下得到目标产物的产率为47%。

2.3不同電极对电化学氧化实现苯乙酮的双β-二甲酯化反应的影响

以上的实验研究均以石墨电极为工作电极进行的条件筛选优化过程，虽然普通的石墨电极是在有机电化学中比较常用的，但是其局限性也逐渐显现出来，因为其表面没有经过任何修饰，使其催化反应的类型及范围都不是很广泛。因此，设计了不同的电极材料，研究了不同电极材料对电化学氧化实现芳香酮的双β-二甲酯化的影响。

近年来，纳米修饰电极成为电化学研究的热点，利用电极上析出不同形貌的金属促进有机反应，在这个过程中可以通过改变反应的溶剂、时间，反应的电压、电流等调控纳米粒子的粒径。目前，该方法已经被用于制备多种单金属和双金属纳米材料，包括Pd、Au、Ag、FeCo等。现在已发展的修饰电极方法主要有共价键合法、吸附法、聚合物薄膜法和电沉积法，利用这些方法我们可以在电极表面引入一些有用的官能团或者纳米金属，从而对化学反应产生较大的促进作用，例如用纳米Au修饰的玻碳电极，可以在电化学条件下没有酶的参与就能实现葡萄糖的氧化，而且Pt/Au双金属纳米颗粒修饰的电极可以实现甲醇的氧化等。

目前纳米修饰电极在电化学有机合成方面的应用较少，纳米修饰电极的表面积较大，有较高的催化活性，用其来实现一些传统有机合成反应的前景是很广阔的。

因此，制备了一系列的纳米修饰的石墨电极，例如纳米铜修饰的石墨电极、纳米金修饰的石墨电极等。以上述制备的修饰电极为工作电极，研究了苯乙酮1a和丙二酸二甲酯2a的反应，以上述最优条件为反应条件：以KOH为碱，KI为电解质，甲醇为溶剂，室温下以20mA的电流电解三个小时。该反应的产率有一定的提高，纳米金修饰的石墨电极和纳米铜修饰的石墨电极作为工作电极时，产率分别为58%和69%。

随后，我们以铂电极作为工作电极，研究了苯乙酮1a和丙二酸二甲酯2a的反应，以上述最优条件为反应条件：以KOH为碱，KI为电解质，甲醇为溶剂，室温下以20mA的电流电解三个小时。惊奇地发现，该反应的产率提高至82%。

由上述实验结果得出不同电极的收率柱状图（图5），由此可见，相对于石墨电极，纳米金和纳米铜修饰的石墨电极对苯乙酮双β-二甲酯化反应有促进作用，产率有一定程度的提高，但铂电极对该反应的催化效果更明显，产率可提高至82%。由此可见，铂电极比传统石墨电极、纳米修饰的石墨电极的导电性强，电化学催化效果更好。

3结论

本文研究了传统石墨电极、修饰石墨电极和铂电极对苯乙酮双β-二甲酯化反应的影响，并对反应条件进行了筛选，实现了苯乙酮的sp3CH双官能团化的反应。该反应条件温和，在常温常压下即可进行，并且反应体系中没有添加金属催化剂和氧化剂，符合绿色有机合成化学的要求。

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