在深共晶溶剂中的电化学磺化反应实现了2-喹啉砜的可持续合成

《ChemSusChem》：Electrochemical Sulfonylation in Deep Eutectic Solvents Enables the Sustainable Synthesis of 2-Quinoline Sulfones

有机电合成方法采用深熔盐溶剂（DES）同时作为反应介质和电解质，有效解决了传统方法依赖挥发性有机溶剂和不可回收电解质的难题。以2-arylsulfonylquinolines的合成为例，使用TBAC:EG（1:3）体系在H型电解池中进行优化，电流15mA反应2小时即可获得56%-89%的高产率。实验表明DES具有优异的环保性和经济性：产物通过水洗过滤即可获得，无需色谱纯化；DES可循环使用5次以上，产率保持稳定。绿色化学指标（PMI、E因子、EcoScale）显示该方法显著优于传统工艺，避免了VOCs使用，且产品收率相当。研究为可持续有机电合成提供了新策略。

　　有机电合成技术近年来得到了快速发展，成为可持续化学合成领域的重要研究方向。这一技术的核心优势在于，它利用电流作为主要反应试剂，取代了传统化学氧化剂，从而实现了更高的原子经济性、更少的废弃物产生以及更低的经济成本。然而，尽管电合成在环保和经济性方面具有显著潜力，其在实际应用中仍面临一些关键挑战。这些问题主要集中在反应介质的选择上，尤其是有机电合成通常依赖于挥发性有机溶剂（如乙腈）和昂贵且不可回收的电解质，这些因素限制了其整体的可持续性。为了解决这些问题，研究者提出了一种基于深共沸溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）的新方法，该溶剂不仅能够作为反应介质，还能同时充当支持电解质，从而实现反应和纯化过程的绿色化和循环利用。

在这一研究中，以2-芳基磺酰基喹啉的电合成为例，探索了DES在有机电合成中的应用。实验结果显示，使用DES作为反应介质和电解质，能够显著提高反应的产率，并且在反应结束后，通过简单的水洗和过滤即可实现产物的高效分离。更令人振奋的是，DES在五次循环中仍能保持较高的反应产率，展现出良好的可回收性。这表明，DES不仅能够替代传统有机溶剂，还能有效减少对环境的影响，同时降低整体的经济成本。此外，该方法在反应和纯化过程中完全避免了挥发性有机化合物（VOCs）的使用，这在当前有机电合成领域中尚属少见，为实现更环保、更经济的合成路径提供了新的思路。

有机电合成的优势在于其对反应条件的精确控制。通过调节施加的电位，可以实现对特定底物的高效选择性氧化或还原，从而减少副反应的发生。这种选择性在传统化学方法中往往难以实现，而电合成则通过电极与反应介质之间的相互作用，能够更有效地引导反应路径。然而，这种选择性也受到反应介质性质的制约。例如，许多有机分子在水溶液中溶解性差，或者其氧化还原电位超出水的电化学窗口，因此传统电合成方法通常需要使用非水溶剂，如乙腈，以确保反应的顺利进行。同时，这类溶剂往往需要配合特定的电解质，如四丁基氟硼酸铵（TBABF?），以维持电化学反应的稳定性。然而，这些电解质通常价格昂贵、有毒且难以回收，进一步增加了电合成过程的环境负担和经济成本。

针对上述问题，研究者引入了深共沸溶剂（DES）作为反应介质和电解质的双重功能材料。DES是由两种或多种组分在特定比例下形成的低熔点混合物，具有良好的溶解性和离子导电性，能够在不依赖额外支持电解质的情况下进行电化学反应。此外，DES通常由有机盐（如胆碱氯化物）和氢键供体（如酸或醇）组成，其结构中包含一定比例的中性分子，这有助于调控电极与溶液界面的电荷分布和偶极取向，从而提升反应效率。更重要的是，DES的高沸点和低挥发性使其在反应和纯化过程中不会产生大量挥发性有机化合物，显著降低了对环境的影响。同时，DES的可回收性也为其在工业应用中提供了巨大的潜力。

为了验证DES在电合成中的可行性，研究者选择了2-芳基磺酰基喹啉的合成作为模型反应。在优化实验中，研究者测试了多种DES配方，并最终确定了最佳的反应条件。例如，当使用四丁基氯化铵（TBAC）与乙二醇（EG）以1:3的比例组成的DES时，反应在10 mA电流下进行2小时，产率达到了56%。随着电流的增加至15 mA，产率进一步提升至85%，但电流继续增加并未带来更高的产率，这可能与副反应的增加有关。此外，反应时间的延长也未能显著提高产率，表明反应在较短时间内已达到较高的效率。这一发现不仅为电合成的优化提供了依据，也揭示了DES在控制反应路径和提高反应效率方面的独特优势。

在反应机制研究方面，研究者通过一系列控制实验进一步探讨了反应的机理。首先，通过循环伏安法（Cyclic Voltammetry）分析了DES与磺酸盐之间的相互作用，确认了起始材料的氧化过程发生在DES的电化学稳定窗口内。接着，研究者在反应体系中引入自由基捕获剂，发现反应产率显著下降，这表明反应过程中存在自由基中间体。此外，当使用2-苯基取代的喹啉N-氧化物作为底物时，未检测到产物的形成，进一步支持了反应的区域选择性，即反应仅发生在喹啉环的特定位置。通过使用氘代化合物进行实验，研究者还观察到反应速率与非氘代化合物相比降低了约一半，这提示反应的最后一步——芳香化反应（rearomatization）可能是整个反应的速率限制步骤。

为了进一步评估该方法的适用性，研究者还扩展了反应的底物范围，测试了多种不同取代基的磺酸盐与喹啉N-氧化物的反应。实验结果表明，无论是电子供体型、中性型还是电子受体型的磺酸盐，都能在DES体系中实现高效的磺酰化反应。值得注意的是，某些特定的磺酸盐（如三氟甲基磺酸钠和苯并[d]噻唑-2-磺酸钠）由于其释放二氧化硫（SO?）的特性，未能在反应中得到有效的转化，这提示在选择底物时需要考虑其化学稳定性。此外，不同取代基对反应产率的影响也得到了分析，结果表明，电子供体型取代基可能对反应有一定的促进作用，但其影响并不显著，反应产率的差异更多可能源于纯化过程中的效率变化。

在实际应用方面，研究者成功地将该方法扩展到克级反应规模，并且在反应过程中完全避免了挥发性有机溶剂的使用。实验中，反应在15 mA电流下进行42小时，最终得到了1.05克产物，产率为70%。通过简单的水洗和过滤，产物得以高效分离，而无需使用传统的柱层析等复杂纯化手段。这一结果不仅证明了该方法在工业应用中的可行性，也展示了其在大规模生产中的优势。同时，研究者还对DES的循环利用进行了评估，发现经过五次回收后，产率仍能保持较高水平，仅出现轻微下降。这一现象可能与反应体系中积累的副产物以及DES组分的轻微降解有关，但总体而言，DES的可重复使用性使其成为一种理想的绿色反应介质。

为了全面评估该方法的绿色化学特性，研究者从多个角度进行了分析。首先，通过比较反应质量效率（Reaction Mass Efficiency, RME）、过程质量强度（Process Mass Intensity, PMI）和E因子等指标，发现该方法在这些方面均优于传统的有机电合成方法。传统方法通常需要使用大量挥发性有机溶剂和不可回收的电解质，这不仅增加了反应的环境负担，还提高了成本。相比之下，基于DES的电合成方法仅需水作为纯化溶剂，且DES本身具有良好的可回收性，从而显著降低了对环境的影响。此外，研究者还引入了EcoScale这一综合评估指标，用于衡量反应过程中各组分的可得性和毒性。结果显示，传统方法的EcoScale评分为42，属于“不足”等级，而基于DES的方法评分为63，被认为“可接受”，进一步证明了其在绿色化学方面的优越性。

该研究的创新点在于，首次将DES作为电合成反应的介质和电解质的双重功能材料，并成功应用于2-芳基磺酰基喹啉的合成。这一方法不仅避免了传统电合成过程中对挥发性有机溶剂的依赖，还实现了电解质的循环利用，从而显著提升了反应的可持续性。此外，通过简单的水洗和过滤即可完成产物的纯化，使得整个合成过程更加高效和环保。这些优势使得基于DES的电合成方法成为有机合成领域中一个值得深入研究的新方向。

在实际操作中，该方法对实验设备和操作条件的要求相对较低。例如，反应可以在常温下进行，无需高温或高压环境，这降低了对能源的依赖。同时，反应体系中使用的电极材料（如碳毡和铂丝）也较为常见，易于获取和维护。此外，反应过程中无需额外添加支持电解质，减少了试剂的种类和用量，进一步降低了反应成本和环境影响。在实验过程中，研究者还对反应体系的稳定性进行了评估，发现DES在多次循环中仍能保持良好的性能，这为大规模工业应用提供了有力支持。

总体而言，这项研究为有机电合成领域提供了一种全新的解决方案，即通过使用深共沸溶剂（DES）作为反应介质和电解质，实现反应和纯化过程的绿色化和循环利用。这一方法不仅克服了传统电合成过程中对挥发性有机溶剂和不可回收电解质的依赖，还通过简单的操作实现了高产率和高纯度的产物分离。此外，该方法在绿色化学指标上表现优异，显示出其在可持续合成中的巨大潜力。随着对DES在电合成中作用机制的进一步研究，以及更多复杂反应的探索，这一技术有望在未来的有机合成领域中发挥更重要的作用，为绿色化学的发展提供新的思路和工具。