质子耦合电子转移介导吡啶N-氧化物电化学脱氧机理研究

本综述系统探讨了吡啶N-氧化物（PNO）在乙腈溶剂中的电化学还原脱氧机制。研究通过循环伏安法（CV）和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了质子耦合电子转移（PCET）在N–O键断裂中的关键作用，首次发现质子化步骤对质子供体浓度呈现异常的五级动力学依赖，并提出协同解离电子转移（DET）机制主导脱氧过程，为含氮杂环化合物的绿色合成提供了重要理论依据。

　　

引言

吡啶N-氧化物的还原脱氧反应因其在天然产物修饰和有机合成导向基团转化中的重要性而备受关注。传统方法需苛刻条件，近年来光催化和电化学等温和策略逐渐兴起。尽管水溶液中PCET机制已有研究，但有机溶剂中的反应路径尚未明确。本研究通过电化学分析与理论计算相结合，揭示了乙腈中PNO脱氧的复杂机理网络。

结果与讨论

无外加水的电还原行为

在残留水含量5 mM的乙腈溶液中，PNO在-2.675 V vs. Ag⁺/Ag处出现不可逆还原波。高速扫描（>15 V·s^-1）时呈现部分可逆性，表明PNO/PNO^•?电对的标准电位为-2.675 V，与DFT计算结果（-2.70 V）高度吻合。归一化电流分析显示表观化学计量数仅0.64，表明存在"母子反应"（parent-child coupling）。动力学分析排除简单机制，提出分步路径：电子转移形成PNO^•?后，被残余水质子化生成PNOH^•，该自由基与底物PNO dimer化（k₂=2×10⁴ M^-1·s^-1），质子化速率常数k₁=160 s^-1。恒电位电解证实吡啶（Py）为主要产物，电子效率为2e^?/分子。

质子供体存在下的反应路径

添加水（100-500 mM）引起还原电位正移和电流增强，第二还原波对应Py的生成。Deuterium同位素实验（D₂O）显示质子化步骤存在显著动力学同位素效应（KIE）。乙醇作为质子供体时反应加速，但N–O键裂解速率低于水体系，与其氢键给体能力（α-HBD参数：H₂O=1.17, EtOH=0.83）相关。提出三种可能机制：1）PNOH^•均裂后OH^•还原；2）异裂途径（被DFT计算排除）；3）协同DET路径。DFT计算显示均裂自由能变化ΔG⁰=-0.73 eV，而异裂需克服0.93 eV能垒。

机理辨析

质子化步骤呈现对[H₂O]的五级动力学依赖，表明反应通过水分子簇（(H₂O)_n）介导。N–O键裂解速率与质子供体浓度呈一级关系但无KIE，支持氢键稳定而非直接质子转移机制。CV模拟更符合协同DET路径，其中氢键网络稳定离去OH^?离子。计算得DET标准电位E^0′=-1.05 V，在-2.50 V电位下驱动力达3.55 eV。重组能λ_DET=4 eV与吡啶π→π^*跃迁能（262 nm）吻合，证实电子重组发生在Py激发态。

结论

本研究通过电化学-理论计算联用阐明PNO脱氧的双重PCET机制：初始步为电子转移-质子化序列，质子化通过氢键簇实现；关键步N–O键裂解经协同DET完成，氢键网络稳定羟基离去基团。该发现为杂环化合物绿色合成提供了机理范本。

实验方法

使用CHI 750E电化学工作站，三电极体系（玻碳工作电极、Pt对电极、Ag⁺/Ag参比电极）。乙腈溶剂中支持电解质为0.1 M n-Bu₄NPF₆，水含量经Karl-Fischer滴定确定。恒电位电解采用碳毡电极，产物经¹H NMR（500 MHz）以均三甲苯为内标定量分析。