一种多功能的电催化[3+2]环扩方法，用于高效电合成氧杂/氮杂杂环化合物

《Nano Energy》：A versatile electrocatalytic [3+2] ring expansion approach for efficient electrosynthesis of oxa-/aza-heterocyclic compounds

本研究提出一种环保的电化学[3+2]环扩张策略，利用醋酮、乙腈或二氧化碳与环氧化物反应，生成五元杂环化合物如1,3-二氧六环、氧杂糠醇和环碳酸酯。阴极贵金属纳米催化剂和氟硼酸盐电解质促进协同反应路径，提高效率，醋酮反应速率显著高于乙腈。

　　电化学合成作为一种绿色化学的重要方法，因其温和的反应条件、高选择性、可调的工艺参数以及环保特性而受到广泛关注。特别是，氧和/或氮杂环化合物的战略合成在制药、农化、香料、聚合物和清洁能源等多个领域具有重要意义。然而，目前针对复杂杂环化合物的电化学合成路径仍处于初步探索阶段。本文提出了一种高效的电化学[3+2]环扩展方法，能够在常温条件下，将廉价且易得的前体（如丙酮、乙腈或二氧化碳）与环氧骨架结合，从而高效地生成多种含氧和/或氮的杂环衍生物（如1,3-二氧戊环、氧杂环庚烷和环状碳酸酯）。实验与计算研究揭示了阴极负载的贵金属纳米催化剂（如铂和铑）在碳纤维上的关键作用，以及路易斯酸性氟硼酸支持电解质在电催化环扩展反应中的协同效应。这些催化剂和电解质共同促进了反应路径中更倾向于协同反应而非分步反应的进行。我们的分析表明，控制关键的路易斯加合物[2π+2σ]-环加成步骤的活化能势垒差异，是丙酮反应速率高于乙腈的原因，这可以通过过渡态的静电势能分析得到解释。这种电化学骨架编辑策略在绿色生产多样化杂环有机化合物方面展现出强大的潜力。

环状有机化合物，尤其是杂环化合物，在现代社会中扮演着重要角色。例如，美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物中有超过三分之二包含氮杂环和/或氧杂环结构。因此，开发新的反应路径以构建和修饰环状结构对于确定有机分子的性质和功能至关重要。过去的研究已经通过引入碳、氮、氧、硼或其他元素到环状分子中，探索了骨架编辑的方法。1,3-二氧戊环、氧杂环庚烷和环状碳酸酯等五元环状化合物因其广泛的适用性，在制药、生物技术、农药、化妆品、聚合物和清洁能源等行业中得到了广泛应用。然而，这些化合物通常依赖传统的热化学催化方法进行合成，而这些方法往往受到苛刻的反应条件、复杂的反应步骤、低效率、高能耗以及大量催化剂使用等问题的限制。因此，探索一种高效的电化学环扩展方法，用于合成各种杂环化合物，成为一种有前景的替代方案。

电化学合成技术具有诸多优势，包括温和的反应条件、强可控性、高效率以及能够利用太阳能、风能等可再生能源提供的经济电力。这些独特特性推动了电化学合成方法在绿色合成化学中的领先地位，为碳-碳键的功能化、碳-氢键的活化、脱羧偶联、卤化、硼化、有机金属配位以及许多其他化学转化提供了诱人的研究方向。然而，目前关于利用电化学方法扩展环状结构以形成含氧和/或氮的杂环有机化合物的高效方法仍较为少见，并且一直面临显著的挑战。本文报告了一种通用、便捷且环保的电化学[3+2]环扩展策略，该策略通过将丙酮、乙腈或二氧化碳分子插入环氧骨架中，实现五元氧杂环和氮杂环化合物（如1,3-二氧戊环、氧杂环庚烷和环状碳酸酯）的高产率合成。这一过程在常温条件下进行，并借助于通过原位电沉积方法获得的阴极金属纳米催化剂（如铂和铑）以及设计的路易斯酸性离子液体支持电解质。这种策略不仅简化了合成过程，还显著提高了反应效率。

本研究中，电导性碳毡（CF）被用作纳米催化剂的生长基底。碳毡由相互连接的碳纤维组成，其坚固的结构有助于在电化学反应过程中防止催化剂的脱落。此外，碳纤维网络所提供的空间限制也有助于防止催化剂的聚集和表面的氧化，从而有效保持催化剂的活性。实验和计算分析均表明，所提出的协同环扩展路径在电化学反应中比分步反应路径更具动力学优势。丙酮的反应速率（约95 mmol/h·cm2·cat）显著高于乙腈（约39 mmol/h·cm2·cat），这一差异主要归因于决定性步骤的活化能势垒的不同。进一步的研究发现，利用二氧化碳分子作为关键的插入单元，可以高效地合成环状碳酸酯，这不仅突显了其在合成化学中的重要性，也强调了其在推动碳中和目标方面的广袤潜力。本研究所展示的电化学骨架编辑策略，为实现环保的绿色合成多样化杂环有机产品提供了实际可行的路径。

在电化学环扩展策略中，阴极负载的贵金属纳米催化剂和路易斯酸性支持电解质的协同作用是实现高效合成的关键。阴极负载的纳米催化剂（如铂和铑）通过其高催化活性和良好的电子传递性能，能够有效促进环状结构的扩展反应。实验结果表明，这些催化剂在碳纤维上的负载不仅提高了反应效率，还增强了催化剂的稳定性，使其能够在长时间的反应过程中保持活性。此外，路易斯酸性支持电解质（如氟硼酸）在反应过程中起到了重要的媒介作用，通过提供酸性环境，促进了反应物的活化和中间体的形成。这种催化剂和电解质的协同作用，使得反应路径更倾向于协同机制，从而提高了反应的选择性和效率。

本文的研究还揭示了反应速率差异的分子机制。丙酮的反应速率高于乙腈，这一现象可以通过对决定性步骤的活化能势垒的比较得到解释。丙酮分子在反应过程中与催化剂之间的相互作用更为强烈，这种相互作用主要体现在静电势能的差异上。通过过渡态的静电势能分析可以发现，丙酮分子在反应过程中能够形成更稳定的过渡态，从而降低了反应的活化能。相比之下，乙腈分子在反应过程中与催化剂之间的相互作用较弱，导致其反应速率较低。这种差异不仅影响了反应的效率，也对最终产物的产率和纯度产生了重要影响。因此，理解并优化催化剂与反应物之间的相互作用，对于提高电化学合成的效率具有重要意义。

此外，本文的研究还展示了电化学合成在推动碳中和方面的潜力。环状 carbonate 的合成过程中，利用二氧化碳作为插入单元，不仅提高了反应的绿色程度，还实现了二氧化碳的资源化利用。这种策略在应对全球气候变化和减少温室气体排放方面具有重要价值。通过电化学方法，可以将二氧化碳分子高效地转化为有用的有机化合物，从而减少其对环境的影响。这种将二氧化碳作为反应原料的方法，不仅符合绿色化学的基本原则，也为实现碳中和目标提供了新的思路。

在实际应用中，电化学合成方法的可扩展性和可持续性是其重要的优势。与传统的热化学方法相比，电化学方法能够在常温条件下进行反应，从而减少了能源消耗和对高温设备的依赖。此外，电化学方法的反应条件相对温和，使得反应物的稳定性得到了保障，避免了高温或高压条件下可能发生的副反应。这种温和的反应条件不仅提高了反应的安全性，也使得电化学合成方法在工业生产中具有更高的可行性。同时，电化学方法的可控性也使得反应的条件可以灵活调整，以适应不同的反应需求和产物要求。

本文的研究结果表明，通过电化学方法实现的环扩展策略不仅适用于实验室研究，也具备良好的工业应用前景。实验和计算分析均表明，该策略能够高效地生成多种含氧和/或氮的杂环化合物，且反应条件温和、选择性高。这种高效且环保的合成方法，为未来合成化学的发展提供了新的方向。此外，该策略的可扩展性也使得其能够适用于大规模生产，从而满足工业领域对高产率和低成本合成的需求。因此，电化学骨架编辑策略在绿色合成化学中的应用前景广阔，有望成为未来合成杂环化合物的重要工具。

在电化学合成过程中，催化剂和电解质的选择对于反应的效率和选择性具有决定性作用。本文中，阴极负载的贵金属纳米催化剂（如铂和铑）在碳纤维上的负载不仅提高了反应效率，还增强了催化剂的稳定性。同时，路易斯酸性支持电解质（如氟硼酸）在反应过程中起到了重要的媒介作用，通过提供酸性环境，促进了反应物的活化和中间体的形成。这种催化剂和电解质的协同作用，使得反应路径更倾向于协同机制，从而提高了反应的选择性和效率。此外，电化学方法的可控性也使得反应条件可以灵活调整，以适应不同的反应需求和产物要求。

本研究的实验和计算分析还揭示了电化学反应路径中的关键步骤。在电化学环扩展过程中，路易斯酸性支持电解质和阴极负载的纳米催化剂共同作用，使反应物能够高效地形成所需的环状化合物。这种协同机制不仅提高了反应的效率，也减少了副产物的生成，从而提高了产物的纯度和产率。此外，实验结果表明，这种策略能够适用于多种反应物，包括丙酮、乙腈和二氧化碳，这使得其在实际应用中具有更高的灵活性和适应性。因此，电化学骨架编辑策略在绿色合成化学中的应用具有广泛前景。

综上所述，本文提出的电化学[3+2]环扩展策略为合成多种含氧和/或氮的杂环化合物提供了一种高效、环保且可持续的方法。该策略通过将廉价且易得的前体（如丙酮、乙腈和二氧化碳）与环氧骨架结合，在常温条件下实现高效的环扩展反应。实验和计算分析均表明，阴极负载的贵金属纳米催化剂和路易斯酸性支持电解质的协同作用是实现这一策略的关键。这种策略不仅提高了反应的效率和选择性，还为实现碳中和目标提供了新的思路。因此，电化学骨架编辑策略在绿色合成化学中的应用前景广阔，有望成为未来合成杂环化合物的重要工具。