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《Science》如何磨出来?球磨+压电材料实现有机小分子的氧化还原反应

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发表于 2020-1-6 16:27:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
在过去十年中,可见光下的氧化还原催化反应是有机合成化学的代表性进展之一。其基本原理是光催化剂在光的照射下形成激发态。该激发态可将电子转移给受体分子,受体分子经过一系列反应历程后,转化为给体分子,并向被氧化的光催化剂提供一个电子后继续转化形成产物,而光催化剂本身在此过程中得以再生,完成催化循环。由此我们可以看出,利用光催化剂产生电子和空穴来参与氧化还原反应是光反应的核心。

另一方面,自1887年Ostwald引入力化学一词以来,力化学合成在材料、高分子和无机合成领域得到了广泛的应用。其中球磨法作为力化学的“施力”手段之一,在有机合成和高分子合成中的应用也逐渐增多。球磨法所具备的无溶剂、反应快和耗能低的特点可以简化实验操作,且在合成难溶于常见有机溶剂的化合物方面具有独特的优势。

类比光氧化还原反应的原理,日本北海道大学的Hajime Ito教授课题组通过球磨压电材料代替光激发催化剂,实现了有机小分子在机械力作用下的氧化还原反应,相应研究成果于近期发表于12月20日发表在《Science》上。同期四川大学夏和生和西北工业大学王振华在《Science》上发表题目为《Piezoelectricity drives organic synthesis》的评论文章,对机械力化学、压电材料驱动催化进行点评。

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在该研究中,力代替了光作为能量刺激的来源。压电材料在球磨下产生的高极化粒子同样能充当强还原剂,将电子转移到小的有机分子中,然后将给体分子氧化猝灭,从而以类似于光氧化还原催化的方式诱导化学键的选择性形成。光氧化还原方法除了昂贵的光催化剂以外,通常需要复杂的反应装置、干燥和脱气有机溶剂以及惰性气体保护。相比之下,球磨法的简单操作优势则尤为凸显。

作为概念验证研究,作者选择了廉价商品化的BaTiO3纳米颗粒作为压电材料,以芳基重氮盐的芳基化或硼化的作为探究系统。通过对比发现,在不添加BaTiO3的情况下,芳基化反应不能进行,这表明球磨提供的机械能必须通过BaTiO3进行传递。当使用非压电材料时,反应同样不会进行,这表明压电材料对于这种芳基化反应至关重要。而以较高的球磨频率进行反应可显着提高收率。

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图1.有机合成中,小分子力氧化还原活化的假设。常用的光氧化还原催化剂和一般的光氧化还原氧化循环;使用球磨机和压电材料的催化原理;使用BaTiO3和球磨进行力芳基化和硼化的推测机理。

为了证明球磨法氧化还原的实用性,作者还研究了在该条件下克级制备芳杂环化合物以及BaTiO3的回收。克级制备的产率为71%,且从反应混合物中分离并洗涤的BaTiO3可以在相同的反应条件下至少重复使用三遍。之后,他们对于溶解度差的多环芳烃类化合物的芳基化反应也进行了反应尝试。结果表明,该条件较光氧化还原反应,操作简单温和,且具备高收率和高区域选择性特点。

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图2.使用机械力进行力芳基化和硼化。机械力芳基化和硼化反应的条件优化;在球磨机中研磨后芳基化的反应混合物。

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图3. 使用芳基重氮盐的力芳基化和硼化反应的底物范围。芳基化的底物范围;硼化的底物范围。

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图4.克级制备、压电催化剂的回收和多环芳烃化合物芳基化的探索。使用25mL球磨罐,以克为单位的芳基化;BaTiO3的回收实验;多环芳烃的力芳基化。

而TEMPO捕获的自由基实验表明BaTiO3参与的力氧化还原是通过自由基途径进行的。将BaTiO3颗粒在30Hz下球磨1小时后,通过SEM分析可以清楚地看出颗粒形状的明显改变以及尺寸的减小,这表明由球磨提供的机械力被有效地传递到BaTiO3颗粒上,从而在BaTiO3颗粒的表面上产生可用于芳基重氮盐活化的局部电化学势。

为了研究球磨中的摩擦是否产生热效应,作者在打开球磨罐后立即使用热像仪测量力氧化芳基化过程中的内部温度。结果表明,在球磨机中芳基化后的温度为约30°C,这在一定程度上排除了热效应对反应的影响。

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图5.反应机理研究。自由基捕获实验;BaTiO3颗粒球磨之前和球磨之后的SEM图像;底物2a和1a的力芳基化后研磨罐的热像图。

为了证明还反应策略的“简单粗暴”,作者甚至还使用锤子在空气中进行了硼化。在锤子敲击200多次后,核磁积分表明硼化产物的收率仍有43%。

总之,该力氧化还原反应可以以克为单位进行,且无需使用有机溶剂和惰性气体氛围,操作简单,是一种实用且环境友好的反应方法,可以作为现有的光氧化还原重要补充。

原文链接:https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1500

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