聯(lián)烯的合成研究現(xiàn)狀及其在電化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u2913聯(lián)烯的合成研究現(xiàn)狀及其在電化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用分析概述 1279511.1聯(lián)烯化合物的合成方法 128841.2有機(jī)電化學(xué)合成的概念 3188711.3電化學(xué)在雜環(huán)結(jié)構(gòu)合成中的研究 4232231.4聯(lián)烯在電化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用 51.1聯(lián)烯化合物的合成方法聯(lián)烯化合物具有兩個(gè)相互垂直的π軌道，是一類獨(dú)特結(jié)構(gòu)的化合物。由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致人們長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為聯(lián)烯在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，聯(lián)烯的合成路線和應(yīng)用等相關(guān)研究發(fā)展遲緩。聯(lián)烯的合成可追溯至1887年，Gustavson等人[1]首次合成了聯(lián)烯。隨著對(duì)聯(lián)烯更深入的研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)烯結(jié)構(gòu)存在于多種具有生物活性的天然產(chǎn)物中[2]。由于聯(lián)烯具有累積二烯結(jié)構(gòu)單元，在化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出了獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)[3]。聯(lián)烯有四個(gè)取代基，可為合成取代基不同的多樣性化合物提供合適原料，再者，由于不同取代基對(duì)聯(lián)烯單元中的每個(gè)碳原子會(huì)產(chǎn)生不同的電子效應(yīng)而導(dǎo)致聯(lián)烯單元的碳原子有不同的反應(yīng)性。除此之外，當(dāng)聯(lián)烯單元的兩邊有不同取代基時(shí)，使得聯(lián)烯具有軸手性，以此可作為反應(yīng)底物來(lái)構(gòu)建具有光學(xué)活性的最終產(chǎn)物。因此，近十幾年來(lái)，有關(guān)聯(lián)烯的合成越來(lái)越受到化學(xué)家的重視，合成聯(lián)烯的路線得到快速地發(fā)展。Crabbe′等人[4]在1970年第一次報(bào)道了在二異丙胺存在下，溴化亞銅(CuBr)介導(dǎo)末端炔和甲醛反應(yīng)生成末端聯(lián)烯。該合成方法具有底物適應(yīng)性差，合成聯(lián)烯的產(chǎn)率低等局限性（圖1-1,A）。中科院上海有機(jī)所麻生明課題組[5]于2002年報(bào)道了在二異丙胺存在下，CuBr介導(dǎo)的光學(xué)活性末端炔丙醇與多聚甲醛反應(yīng)生成具有光學(xué)活性的2,3-聯(lián)烯醇的合成路線，拓展了Crabbe′等人合成聯(lián)烯方法的應(yīng)用，然而該合成方法仍有產(chǎn)率低等缺點(diǎn)（圖1-1,B）。之后，HiroyukiNakamura等人[6]于2008年報(bào)道了利用微波技術(shù)，顯著加速了Crabbe′型聯(lián)烯的形成，并從末端炔烴合成了相應(yīng)的末端聯(lián)烯（圖1-1,C）。同年，中科院上海有機(jī)所麻生明課題組[7]為了提高合成聯(lián)烯的產(chǎn)率，發(fā)展了之前所報(bào)道的合成聯(lián)烯的路線。將商業(yè)化的二環(huán)己胺代替二異丙胺，將碘化亞銅代替溴化亞銅，從而使得聯(lián)烯的合成具有更高的產(chǎn)率。除此之外，該改進(jìn)后的合成路線在不同官能團(tuán)如甲磺酸、羥基、乙醚、酰胺等存在下都能很好適應(yīng)，大大擴(kuò)寬了底物范圍（圖1-1,D）。2014年，北京大學(xué)王建波課題組[8]報(bào)道了碘化亞銅介導(dǎo)N-對(duì)甲苯磺酰腙與乙炔的交叉偶聯(lián)反應(yīng)構(gòu)建末端聯(lián)烯化合物。盡管這種合成手段的官能團(tuán)耐受性強(qiáng)，但是原料N-對(duì)甲苯磺酰腙需要從相應(yīng)的酮或醛制備，合成路線較為復(fù)雜，操作繁瑣（圖1-1,E）。圖1-1末端聯(lián)烯的合成路線綜上文獻(xiàn)所報(bào)道合成末端聯(lián)烯的方法，麻生明課題組改進(jìn)的合成末端聯(lián)烯策略由于具有簡(jiǎn)單性、通用性、高效率和使用廉價(jià)銅鹽等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于單取代聯(lián)烯的合成，所以我們選擇了該合成路線：以二環(huán)己胺作為胺源，CuI介導(dǎo)末端聯(lián)烯與多聚甲醛反應(yīng)生成相應(yīng)末端聯(lián)烯。內(nèi)部聯(lián)烯的合成經(jīng)過(guò)化學(xué)家們的不斷努力現(xiàn)已有了一定進(jìn)展。香港大學(xué)支志明課題組于2007年[9]開發(fā)了第一個(gè)金催化合成軸向手性內(nèi)部聯(lián)烯的方法，對(duì)映體過(guò)量（ee值）高達(dá)97%（圖1-2,A）。新加坡國(guó)立大學(xué)陳俊豐課題組[10]在2009年報(bào)道了手性雙環(huán)胍可以催化烯烴與高ee值的手性聯(lián)烯的異構(gòu)化（圖1-2,B）。在2011年ShinjiKitagaki等人[11]利用一價(jià)銅催化法合成內(nèi)部聯(lián)烯。該體系中過(guò)量的醛、胺和烯烴對(duì)反應(yīng)至關(guān)重要。該方法使用微波技術(shù)加速反應(yīng)，縮短反應(yīng)時(shí)間，但得到產(chǎn)物的產(chǎn)率偏低（圖1-2,C）。2009年中科院上海有機(jī)所麻生明課題組[12]使用商業(yè)可得的ZnI2作為催化劑、嗎啉作為胺源，芳香族醛或脂肪族醛和末端炔烴反應(yīng)生成1,3-二取代的聯(lián)烯，產(chǎn)率中等（圖1-2,D）。DaniloM.Lustosa等人[13]在2019年發(fā)展了Crabbe′反應(yīng)合成內(nèi)部聯(lián)烯。該合成方法使用Au(I)催化，具有反應(yīng)條件溫和等特點(diǎn)（圖1-2,E）。圖1-2內(nèi)部聯(lián)烯的合成路線所報(bào)道合成內(nèi)部聯(lián)烯的方法，大多使用貴金屬催化，從反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性和反應(yīng)的產(chǎn)率綜合考慮，我們采取麻生明課題組報(bào)道的合成內(nèi)部聯(lián)烯路線：以簡(jiǎn)單易得二環(huán)己胺作為胺源，價(jià)格低廉的ZnI2介導(dǎo)末端炔烴與醛反應(yīng)生成相應(yīng)內(nèi)部聯(lián)烯。1.2有機(jī)電化學(xué)合成的概念有機(jī)電化學(xué)合成利用電子作為反應(yīng)試劑，使反應(yīng)底物在反應(yīng)裝置中得失電子，從而進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，避免使用傳統(tǒng)氧化還原反應(yīng)所需的外源性化學(xué)氧化劑或還原劑，可以避免環(huán)境污染等問(wèn)題。除此之外，有機(jī)電化學(xué)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電極電位和電流密度，即可控制反應(yīng)的化學(xué)選擇性及反應(yīng)速率[14]。這樣可以大大地簡(jiǎn)化反應(yīng)步驟，減少物質(zhì)的浪費(fèi)以及副產(chǎn)物的生成?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，有機(jī)電化學(xué)被認(rèn)為是一種綠色、高效、有潛力的合成方法。有機(jī)電化學(xué)合成按反應(yīng)物與電極之間交換過(guò)程的不同，可分為直接電化學(xué)合成和間接電化學(xué)合成。直接電化學(xué)合成是反應(yīng)物直接在電極表面得失電子以生成反應(yīng)活性中間體后，再進(jìn)一步反應(yīng)。直接電化學(xué)合成會(huì)因?yàn)榉磻?yīng)物、中間產(chǎn)物或者最終產(chǎn)物易吸附在電極表面，導(dǎo)致電極鈍化、電子傳遞速率變慢、電流效率降低以及合成產(chǎn)物的產(chǎn)率降低等問(wèn)題。間接電化學(xué)合成可克服這些問(wèn)題，利用電催化劑充當(dāng)電子載體，可避免在電極表面直接進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，從而提高反應(yīng)的速率以及產(chǎn)物的產(chǎn)率。隨著對(duì)間接電解的研究，電催化劑除了可以承擔(dān)電子轉(zhuǎn)移任務(wù)之外，還可以作用于反應(yīng)底物，甚至作用于后續(xù)反應(yīng)的反應(yīng)中間體，從而提高反應(yīng)的化學(xué)選擇性[15]。1.3電化學(xué)在雜環(huán)結(jié)構(gòu)合成中的研究雜環(huán)是迄今為止最大的一類有機(jī)化合物。各種雜環(huán)結(jié)構(gòu)廣泛存在于生物活性天然產(chǎn)物、有機(jī)材料、農(nóng)用化學(xué)品和藥品中[16]。因此，雜環(huán)的制備、轉(zhuǎn)化和其特殊性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑是有機(jī)化學(xué)發(fā)展中的重要研究課題。有機(jī)電化學(xué)合成可為各種雜環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供一種可代替的合成方法。有機(jī)化學(xué)家已經(jīng)利用電化學(xué)合成的特性可控地生成高反應(yīng)性中間體，高反應(yīng)性中間體可設(shè)計(jì)形成有著戰(zhàn)略性意義的化學(xué)鍵，進(jìn)而構(gòu)建雜環(huán)化合物。電化學(xué)在雜環(huán)結(jié)構(gòu)中的研究可分為分子內(nèi)環(huán)化和分子間環(huán)化兩種不同途徑。在電化學(xué)條件下，其中一組分反應(yīng)底物生成的高反應(yīng)活性中間體可與另一組分底物反應(yīng)形成新的化學(xué)鍵，從而實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)。分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)可以根據(jù)成鍵類型來(lái)分類，具體可分為碳-碳、碳-雜原子和雜原子-雜原子鍵形成這三大類。電化學(xué)氧化分子內(nèi)C-C鍵形成環(huán)化反應(yīng)是合成雜環(huán)化合物的一條簡(jiǎn)單高效的途徑。武漢大學(xué)雷愛(ài)文課題組[17]已經(jīng)證明電化學(xué)介導(dǎo)交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)是通過(guò)釋放一個(gè)H2分子來(lái)構(gòu)建C-C鍵的一種直接而經(jīng)濟(jì)的方法。碳原子與雜原子成鍵是雜環(huán)化合物常見的成鍵方式，通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極氧化反應(yīng)可生成陽(yáng)離子自由基、自由基等活性中間體，生成活性中間體是構(gòu)建雜環(huán)的重要步驟。例如：廈門大學(xué)徐海超課題組于2019年發(fā)表了一篇通過(guò)電化學(xué)直接電解或者使用電催化劑間接電解從NH前體生成各種以N為中心的自由基的綜述[18]，N自由基可用于合成多種含N雜環(huán)化合物。與分子內(nèi)形成碳-碳鍵和碳-雜原子鍵相比，電化學(xué)分子內(nèi)形成雜原子-雜原子鍵的報(bào)道較少。Waldvogel課題組[19]在2016年報(bào)道了電化學(xué)條件下2,2-二甲基丙二酸二胺的N-N鍵的氧化形成。用于合成雜環(huán)的電化學(xué)分子間環(huán)化包括通過(guò)協(xié)同機(jī)制或逐步模式生成兩個(gè)新的化學(xué)鍵[20]。分子間環(huán)化大多采用后一種情況，其關(guān)鍵步驟是由電化學(xué)生成的活性物質(zhì)與另一穩(wěn)定分子反應(yīng)，分子間形成新的化學(xué)鍵。隨后由此產(chǎn)生的偶聯(lián)物通過(guò)進(jìn)一步的電子轉(zhuǎn)移或級(jí)聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行環(huán)化，以生成所需的雜環(huán)結(jié)構(gòu)。2020年廣西師范大學(xué)潘英明課題組[21]實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)分子間環(huán)化構(gòu)建1-萘酚類雜環(huán)化合物。該反應(yīng)是在電化學(xué)條件下活化1,3-二羰基化合物的C-H鍵，得到碳自由基活性中間體與炔烴進(jìn)行反應(yīng)，構(gòu)建新的C-C鍵，隨后進(jìn)行分子間環(huán)化反應(yīng)順利生成了一系列1-萘酚化合物。有機(jī)電化學(xué)合成因其避免使用當(dāng)量氧化劑，能有效避免化學(xué)污染等問(wèn)題。此外，電子的轉(zhuǎn)移可以導(dǎo)致官能團(tuán)的極性反轉(zhuǎn)，由此可利用其特性進(jìn)行新型反應(yīng)模式構(gòu)建雜環(huán)結(jié)構(gòu)。因此，電化學(xué)在雜環(huán)結(jié)構(gòu)中的研究仍然吸引化學(xué)家們的研究興趣，電化學(xué)構(gòu)建雜環(huán)結(jié)構(gòu)仍然是有機(jī)合成的熱點(diǎn)領(lǐng)域。1.4聯(lián)烯在電化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用由于有關(guān)聯(lián)烯的反應(yīng)研究發(fā)展較遲，相較于活化烯烴、炔烴化合物的C-H化學(xué)鍵而言，活化聯(lián)烯C-H鍵的報(bào)道較少。傳統(tǒng)的方法是使用貴金屬銥[22]、銠[23]、鈀[24]和釕[25]作為催化劑對(duì)聯(lián)烯直接進(jìn)行C-H活化。從環(huán)保和原子經(jīng)濟(jì)型化學(xué)角度來(lái)說(shuō)，貴金屬催化劑的使用并不是一種理想的合成方法。近年來(lái)，電化學(xué)合成實(shí)現(xiàn)了聯(lián)烯C-H鍵活化。2018年LutzAckermann課題組[26]首次使用廉價(jià)的金屬鈷作為催化劑，在溫和的條件下，通過(guò)電化學(xué)電解實(shí)現(xiàn)了聯(lián)烯的C-