通过醛类的电羧化反应合成脂肪族α-羟基羧酸

《RSC Advances》：Synthesis of aliphatic α-hydroxy carboxylic acids via electrocarboxylation of aldehydes

电化学羧化法合成α-羟基酸研究。采用稳定碳基电极在未分隔电解池中实现脂肪族醛类电化学羧化，产率达20-45%，较传统方法提高3倍。通过优化阴极材料（石墨、玻璃碳）、溶剂体系（乙腈/DMF混合溶剂）、电流密度及电解质（BF4^-/PF6^-），显著提升目标产物选择性。研究表明，水分子参与质子转移对产物形成至关重要，而溶剂氧化副产物可通过调整电解质抑制。该工艺适用于多种脂肪族醛类，包括含苯基的3-苯基丙醛，但对芳香族醛类需进一步优化。提出自由基中间体反应机制，解释羧化主产物及副产物生成机理。研究为CO2资源化利用和生物基α-羟基酸绿色合成提供新策略。

　　这项研究聚焦于通过电化学方法，特别是在未分割电极系统中，对脂肪族醛类化合物进行电羧化反应，以合成脂肪族α-羟基酸（AHA）。α-羟基酸因其在化学、化妆品和制药行业中的广泛应用而备受关注，例如甘醇酸和乳酸常作为单体使用，而杏仁酸则在药物和抗菌应用中发挥重要作用。此外，α-羟基酸还可作为合成其他化学品的中间体，如α-酮酸、α-羟基酰胺和α-氨基酸。然而，传统方法通常依赖于有毒的氰化物或卤素，这些物质在工业生产中可能带来环境和安全风险。因此，开发更环保、更安全的合成路径显得尤为重要。

电化学方法为将二氧化碳转化为高附加值产品提供了独特的可能性。通过直接还原二氧化碳或生成高能中间体来促进其反应，电化学技术可以实现对羧酸及其衍生物的高效合成。特别是，使用稳定的碳基电极进行电羧化反应，不仅减少了对有毒试剂的依赖，还提供了对反应中间体的可控和安全操作。此外，电化学反应可以通过调节电流密度、电极材料和溶剂系统等参数，实现对产物选择性的优化，从而提高目标产物的产率。

研究团队选择使用未分割电极系统，并通过实验探索了多种电极材料对电羧化反应的影响。他们发现，碳基电极如玻璃碳（C_GC）和石墨（C_Gr）在反应中表现出更高的产率和选择性，相较于金属电极如铜锡合金（CuSn7Pb15）、镍（Ni）和不锈钢（SS, AISI 316）等，碳基电极在减少副产物生成和提高目标产物收率方面具有明显优势。这一发现为未来大规模应用电化学合成方法奠定了基础。

在实验过程中，研究团队系统地优化了反应条件，包括溶剂比例、电流密度、温度、支持电解质以及添加剂等。他们发现，当使用二甲基甲酰胺（DMF）作为溶剂时，反应的产率显著提高，达到27%。此外，当电流密度降低到2.5 mA cm?2时，产率反而下降，表明电流密度对反应效率具有重要影响。同时，他们还研究了水对反应的影响，发现适量的水可以促进α-羟基酸的形成，但过量的水则可能导致副产物的增加。

为了进一步提高反应的效率和产物的稳定性，研究团队还探索了不同的添加剂，例如三乙胺（TEA）、四丁基碘化铵（TBAI）和三苯基甲基胺（TBD）等，以防止α-羟基酸在电解过程中被氧化。然而，这些添加剂并未显著提升目标产物的产率，说明反应体系中仍存在其他影响因素。此外，研究团队还通过循环伏安法（CV）对反应机制进行了深入分析，发现电羧化反应可能遵循电化学（EC）机制，即醛类化合物首先被还原为自由基阴离子，随后与二氧化碳发生反应生成羧化产物。

通过这些实验，研究团队成功地将电羧化反应的产率提高到20%至45%之间，某些情况下甚至达到了传统电化学方法的三倍。这不仅表明了该方法在工业应用上的潜力，也为未来进一步开发更高效的电化学合成路径提供了重要参考。同时，研究团队还验证了该方法对多种脂肪族醛类化合物的适用性，包括丙醛、2,2-二甲基丙醛、环己烷甲醛等，这些化合物在不同条件下均能生成相应的α-羟基酸。

此外，研究还探讨了反应体系中其他功能基团对电羧化反应的影响。例如，酯类、腈类和醇类化合物在反应中表现出良好的耐受性，而羧酸、氟化氢吡咯烷（HFIP）和芳基卤化物则可能导致α-羟基酸产率的降低。相反，胺类和胍类化合物则对反应产生了明显的抑制作用，这可能与它们在反应体系中的氧化行为有关。这些发现为未来设计更高效的反应体系提供了理论依据。

研究团队还提出了一个可能的反应机理，即脂肪族醛首先被还原为自由基阴离子，随后与二氧化碳发生反应生成羧化产物。在未分割电极系统中，反应可能通过电化学机制进行，即自由基阴离子在还原过程中迅速与二氧化碳结合，生成中间体，最终通过脱羧反应形成α-羟基酸。这一机制的提出，不仅有助于理解电羧化反应的原理，也为进一步优化反应条件提供了方向。

综上所述，这项研究为脂肪族α-羟基酸的合成提供了一种新的、环保的电化学方法。通过使用稳定的碳基电极，结合优化的溶剂系统和反应条件，研究团队成功地将产率提升至较高水平，同时减少了对有毒试剂的依赖。这一成果不仅对工业生产具有重要意义，也为未来的绿色化学研究提供了新的思路和方法。随着进一步研究的深入，预计该方法将在更大规模的生产中得到应用，并为完全基于二氧化碳和生物基材料的合成技术开辟新的可能性。