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电化学有机合成 【申精】

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写在前面
老年人回归,给希望能添点热闹。给有兴趣地小朋友们增添一点知识,了解一下行业前沿。
长贴,不定更新。善用只看楼主,一二楼计划作电梯,请不要抢楼中楼。
主要内容有
1. 行业简介 有机合成→合成方法学→电合成
2. 概念,用途,意义,特点,优劣
3. 机理,反应,方法
写得随意,不见得会按顺序,不见得逻辑严密。


IP属地:江苏1楼2020-02-27 14:51回复
    合成方法学:并不是全合成。研究单步转化,直接官能团构建。之后会举例
    电化学方法俗称为电解,虽然“解”并不明显。
    中学时都学过简单的无机电解,制备简单无机物。或者偶尔考试中有电解还原二氧化碳制备甲醇甲酸。原理类似,却都不算这里讲的电化学有机合成。在学习路上最先遇到的应该时Koble电解。

    羧酸负离子在阳极失去电子,成为自由基,裂解失去二氧化碳,生成R自由基。然后自由基偶联生成产物。阴极反应通常为释放氢气,或者金属离子的还原。
    有机电化学反应,可以做到传统化学上匪夷所思的事情。由稳定的化合物生成自由基,正负离子;亲核亲电性的反转;惰性物质的活化;


    IP属地:江苏2楼2020-02-27 15:29
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      2025-07-24 03:55:59
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      合成方法学有几大巨头,有机金属催化,光催化,电催化(光和电其实输入了能量,许多杂志要求写作光化学,电化学)
      电能是可再生资源,绿色资源,廉价资源。而有机化合物的基础是石油化工,无机化合物的基础是矿藏,源于不可再生资源。于是,使用电流带替代一部分反应物,非常符合绿色化学,可持续发展的理念,由十分容易扩大规模生成,工业成本低。
      电流成为了一种氧化还原试剂,仅从能量上看,能达到现任何强度氧化性或还原性,而且可以设定电极电势差来选择需要的强度。此“试剂”没有实体,接通电源就能投入反应,断电就能自动从体系分离,招手即来挥手即去,十分友好。绝大部分情况下,电压都在2V以下,电流约5-20mA/cm2,所以这个试剂对人安全,也不腐蚀设备,不污染环境。使用该试剂的副产物一般为轻金属盐(做还原反应时),氢气或金属(做氧化反应时),容易分离,甚至有价值。


      IP属地:江苏3楼2020-02-27 15:53
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        醚的合成 正离子-亲核试剂偶联
        1. 醚很有用。略
        2. 别的方法不好
        常见的几种基础有机方法如上。缺点有:贵,选择性差,不适合合成不对称醚,用氧化剂,对底物结构有特殊要求。
        3. 电化学构建醚键(baran, nature 2019,573,398)

        在电化学条件下,高效率地合成了不对称醚。羧酸在石墨阳极被氧化为R正离子(氧化为自由基/正离子,可以通过阳极材料来选择),被有亲核性的醇(或在阴极被拔氢生成地醇负离子)捕捉到,生成了C-O键。芳环,杂环,大位阻,复杂化合物,在文中都有成功案例(80+例)。
        机理非常简单,说明可以在此基础上做扩展。实际上C-N,C-S,C-卤键也可以通过这种方法合成。
        之后会有很多案例,知识点穿插在里面。不知有没有课代表帮忙圈出来。


        IP属地:江苏4楼2020-02-27 16:34
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          分子间氧化,脱氢,偶联
          地霉素合成末期, 复杂化合物的二聚。baran, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5571−5574.

          机理可能有自由基偶联,或阳离子-亲核试剂偶联。失去的氢离子会在阴极生成氢气。
          溴离子或碘离子,在电解中常常有催化剂作用,如图。
          但电反应的限速因素一般是电流,所以“催化”并不加速反应,但可以改变反应途径,中间体,过渡态,产物种类。


          IP属地:江苏5楼2020-02-27 18:28
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            (麻烦有兴趣的吧友回帖点个赞什么的,时不时顶一下)
            分子内氧化脱氢,双键形成,芳香化,媒介(电催化剂)
            Aiwen Lei, ACS Catal. 2018, 8, 1192−1196
            二氢吲哚氧化为吲哚,形成双键并芳香化。四氢喹啉氧化为喹啉,形成两个双键。
            苯胺结构上N的孤电子对,被拿走一个电子,得到自由基正离子。自由基重排到邻碳(猜测),失去氢离子,再次失电子失氢离子。形成C=N,分子式已经相同了,芳香化更加稳定,于是发生异构化,双键异位。
            前面讲过卤素离子做电催化剂,这里用到的是TEMPO。它是一种稳定存在的中性自由基物质,未成对电子非常容易被电流夺走。TEMPO正离子非常活泼,能够以氢原子形式拔掉活泼氢(N-H,O-H,有共轭吸电子基团的C-H),原地留下一个自由基。得到H原子的TEMPO仍然带正电荷,电离掉氢离子就会重新变回TEMPO自由基。


            IP属地:江苏6楼2020-02-27 21:14
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              IP属地:湖北来自Android客户端7楼2020-02-28 10:08
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                IP属地:吉林来自Android客户端9楼2020-02-28 18:23
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                  2025-07-24 03:49:59
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                  活性碘,原位生成活性试剂。双键加成(花式)
                  碘单质直接电离成正负离子的趋势很小。若溶剂中有DMSO(二甲基亚砜),它可以稳定住碘正离子。这个碘正离子有比碘单质更高的活性,但仍然是可逆反应,碘正的比例还是低。
                  而如果在含DMSO溶剂中电解KI,就可以在电解液中生成“I+”试剂,碘离子能被电解完全,用于有机反应,碘的理论利用率为100%。

                  同理,溴和氯离子,也能通过类似方式得到“Br+”“Cl+”。DMSO的孤电子对加π键体系,可以分散正电荷,从而稳定卤正离子。还有其他一系列化合物有这种用处。
                  溴或者碘正离子容易与双键形成三元环正离子。亲核取代开环,卤原子还能进一步被取代。
                  由此,从起始看,就花式进行了双键的加成反应。这类反应可能有"双官能团化"的标签。


                  IP属地:江苏10楼2020-02-28 19:02
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                    IP属地:江苏来自Android客户端11楼2020-02-29 09:20
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                      (点赞+回帖+收藏,素质三连)隔壁还有个介绍“氟正”的帖子,欢迎水贴
                      C-H键直接亲核取代,C-H活化,
                      大电负性原子如N,O能活化相邻碳上的氢,比如有微弱酸性。在电流作用下,孤电子对被拿去一个电子,得到自由基阳离子。与邻碳氢重排脱氢,得到碳自由基。自由基继续失电子,变为正离子,且有空轨道,可接受亲核试剂进攻。
                      Lili Cui, Jinbao Xiang Eur. J. Org. Chem. 2019, 2498-2501
                      报道了图右边两类亲核取代。亲核试剂为亚磷酸酯,吲哚。


                      IP属地:江苏12楼2020-02-29 19:46
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                        新人顶帖,顺便问一下大概会更多少内容,好让我提前在笔记本里腾够位置抄笔记


                        IP属地:广东来自Android客户端13楼2020-03-04 23:46
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                          电解关环。芳环或双键碳C-H,与活化双键C-H的偶联。
                          涉及到环化的反应看起来高大上一些。高中,哪怕玩竞赛也很少有涉及环的合成。大学会学到一些可以用来环化的反应,个人印象最深的是罗宾森环化和酯缩合。
                          “关”环,即反应物已经设计好了相关结构,分子内反应。相对比较好做,但由于需要特定的结构,反应用途会受限。
                          Aiwen Lei, Chem. Commun., 2017,53, 3354-3356

                          (碘介导,碘正离子或碘自由基都可能)底物的但失去电子和氢离子,得到自由基。N自由基重排到C上(设计底物,自由基重排到能形成5元环的地方),自由基进攻苯环,形成C-C键,已经关环。自由基被氧化,成正离子,电离氢离子,芳香化。N-C双键重排。
                          这样得到的是吲哚环。氢离子会在阴极还原成氢气。
                          另一个长挺像的研究,机理不同(活泼氢电离,碳负离子氧化,自由基进攻环化。电催化剂是二茂铁)
                          H.-C. Xu, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 4734.


                          IP属地:江苏14楼2020-03-07 21:23
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                            IP属地:山东15楼2020-03-07 22:28
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                              2025-07-24 03:43:59
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                              有机金属化合物的制备。格氏试剂,Reformasky试剂等。
                              格氏试剂的常规制备方法,是卤化物与金属镁反应。反应的机理包含了C-X键对金属M的氧化加成反应。由于涉及的M是金属原子,镁往往要制备成镁屑(小薄片)或镁粉才能快速反应。但是镁屑或镁粉比镁块镁条危险得多,而且制备成本高。所以直接用块状金属来制备格氏试剂,会非常有用。除此之外,传统制备中,溴化物最适合制备格氏试剂,氯化物太慢,碘化物剧烈,这也带来很多限制。

                              而电化学制备方法,可以直接用金属块,而且金属可以不纯。用镁作阳极电解卤化物的溶液,就能方便地制备出格氏试剂。不活泼地氯化物也能反应,与碘化物反应的速率可以通过电流大小来限制。(以上没找参考文献)
                              反应机理以锌试剂的制备文献来讲,锌远不如镁活泼,但还是能用电化学方法。
                              Gosmini, The Journal of Organic Chemistry 2000, 65, 6024-6026

                              锌棒作阳极,电解质用钴盐和锌盐。钴作催化剂用,在阴极被还原成一价,迅速与卤化物氧化加成,由于是均相反应,所以很快。三价钴被还原电流成二价,与溶液中的锌发生转金属化,就能得到锌试剂了,这一步仍然是均相快速反应,所以限速步是电流大小。锌和钴都是催化量的,一价钴与二价锌都能在电流作用下再生。
                              锌试剂一般只能用碘化物,而电化学里可以用到溴化物和部分氯化物。甚至能由二溴苯得到XZn-Ar-ZnX。传统方法的锌也只能用锌粉甚至Rieke法制备的纳米锌。


                              IP属地:江苏16楼2020-03-18 16:13
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