Nature Chemistry：鎳催化交叉親電試劑偶聯反應的重要進展

一、【科學背景】?

過渡金屬催化的偶聯反應是合成化學中碳-碳鍵形成的主要方法。鎳催化的交叉親電試劑偶聯（XEC）反應使用非貴金屬催化劑，可以接觸到更多樣且成本更低的試劑，因此受到越來越多的開發和應用的關注。

Ni催化的XEC反應需要一個電子源來支持整體的交叉偶聯反應。例如，需要將Ni催化劑還原為低價中間體以啟動氧化加成或從有機親電體的鹵素原子轉移。已經使用了各種還原劑來促進這些反應。目前，鋅或錳金屬粉末是最廣泛使用的。然而，Zn和Mn在有機溶劑中的熱力學電位尚不清楚，也沒有探索在典型反應條件下影響它們電位的因素。

二、【創新成果】

近日，威斯康星大學麥迪遜分校研究人員展示了如何使用開路電位測量來確定不同有機溶劑中以及在常見反應添加劑存在下的Zn和Mn的熱力學電位。作者在與Zn和Mn還原電位相對應的施加電位和優化以實現最大產率的電位下，比較了N-烷基-2,4,6-三苯基吡啶鎓試劑（Katritzky鹽）與芳基鹵化物的Ni催化偶聯。總體結果闡明了還原劑的氧化還原電位在Ni催化XEC反應中的重要作用。

圖1在鎳催化的XEC中使用金屬還原劑。（a）鎳催化的C(sp²)–C(sp³) XEC反應的一般描述。（b）顯示金屬還原劑對產物產率影響的鎳催化XEC反應的選定例子。（c）鋅和錳在水溶液中的Pourbaix圖和開路電位/電壓的常見應用說明，這是一種可以用來確定有機溶劑中鋅和錳氧化還原電位的技術。（d）說明金屬還原劑熱力學電位OCP測量的示意圖。Dme，1,2-二甲氧基乙烷；bpy，2,2'-聯吡啶；dmbpy，5,5'-二甲基-2,2'-聯吡啶；DMO，二甲基草酰；phen，1,10-菲啰啉；dppf，1,1'-雙(二苯基膦)二茂鐵；SHE，標準氫電極；Fc/Fc⁺，二茂鐵/二茂鐵陽離子。? 2023 Springer Nature

圖2鋅和錳的熱力學電位。（a）OCP測量的實驗設置。（b）溶劑對鋅和錳的正式熱力學電位以及[Ni(bpy)₃]Cl₂的氧化還原電位的影響。（c）化學法和電化學法Ni/tBubpy催化的芐氯和苯基碘化物偶聯反應結果的比較。（d）添加劑對鋅和錳的熱力學電位的影響。SM，起始材料。? 2023 Springer Nature

開路電位（OCPs）是在不通過電流或施加外部電壓的情況下測量的，作者通過在與鎳催化XEC反應相關的多種條件下測量鋅和錳相對于參比電極（Ag/AgNO₃）的OCPs。作者選擇了在鎳催化XEC反應中常用的八種溶劑進行OCP測量，以探究溶劑對鋅和錳還原電位的影響（圖2b）：二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基乙酰胺（DMA）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、N,N'-二甲基丙烯脲（DMPU）、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮（DMI）、二甲基亞砜（DMSO）、乙腈（MeCN）和四氫呋喃（THF）。在不同溶劑中測量的OCPs通過校正M²⁺離子的非標準狀態濃度轉換為相對于Fc/Fc⁺的熱力學電位（E°′）。

鋅和錳的還原電位在一系列酰胺和尿素溶劑（DMF、DMA、NMP、DMPU和DMI）中顯示出適度變化：Zn的ΔE°′≤50 mV，Mn的ΔE°′≤80 mV。DMSO和THF中的Mn電位與在酰胺溶劑中觀察到的相應電位相似。相對于酰胺溶劑中的相應電位，DMSO中的Zn電位更負，THF中的Zn電位更正。在MeCN中，Zn和Mn的電位發生了顯著變化，與在DMSO和酰胺溶劑中測量的電位相比，增加了高達260-370 mV。Zn和Mn的氧化還原電位比[Ni(bpy)₃]Cl₂的電位更正，盡管在DMSO和酰胺溶劑中Mn的差異相當小（ΔE°′≤90 mV）。在這些溶劑中，Zn的差異更大（ΔE°′≤270 mV）。

DMF是XEC反應中最常用的溶劑之一。添加劑，如LiCl和LiBr等，通常包含在反應混合物中。在DMF中存在各種添加劑（200 mM）時，對Zn和Mn的OCP測量表明，Zn和Mn的還原電位可以變化近300 mV，具體取決于添加劑。鹵素離子，特別是氯化物鹽，將Zn和Mn的還原電位相對于在弱配位陰離子存在時記錄的值轉移到更負的值。在MeCN和THF中進一步探究了鹵素離子的影響，觀察到了類似的現象。

圖3鋅和錳氧化還原電位與鎳催化XEC中基于鎳的氧化還原過程的相關性。（a） 使用Ni/dmbpy催化劑（dmbpy，5,5'-二甲基-2,2'-聯吡啶）將苯乙烯基乙酸酯與烷基溴化物進行還原性交叉偶聯。（b）使用DMO活化醇，并通過Ni/混合配體催化劑體系（配體：phen，1,10-菲啰啉；dppf，1,1'-雙(二苯基膦)二茂鐵）實現芐醇與芳基三氟甲磺酸酯的凈交叉偶聯。（c）在底物存在和不存在的情況下對Ni/dmbpy進行CV分析。（d）在底物存在和不存在的情況下對Ni/dppf/phen進行CV分析。? 2023 Springer Nature

圖4烷基Katritzky鹽與芳基溴化物的XEC反應。反應以熱化學方式進行，使用鋅或錳作為還原劑，或在變化的施加電位下進行電化學反應。? 2023 Springer Nature

金屬鋅和錳是許多還原性交叉偶聯反應的有效還原劑，但它們的各自氧化還原電位并不一定適合每種反應，而電化學電位可以在很寬的范圍內連續調節。本文概述的開路電位（OCP）測量使得能夠在反應條件下直接比較化學和電化學鎳催化XEC反應在鋅和錳的還原電位，并且這些結果可以與其他施加電位下進行的電化學反應進行比較。使用N-烷基-2,4,6-三苯基吡啶鹽（Katritzky鹽）的反應是探索這些問題的一個重要目標，因為當使用具有不同還原電位的均相有機還原劑時，它們在鎳催化XEC反應中表現出可變的性能。圖4中的結果對鎳催化XEC反應具有重要意義。使用化學還原劑的這些反應的大規模應用已經因為使用金屬粉末試劑（非均勻的顆粒屬性和反應性，懸浮在反應器中的密集粉末的困難）或空氣敏感的有機還原劑的挑戰而變得復雜。圖4中的數據表明，化學還原劑的量化/不可調氧化還原電位將限制優化反應性能的機會。這些挑戰可以通過使用電化學來提供反應中所需的電子來解決。

該研究首次確定不同有機溶劑中以及在常見反應添加劑存在下的Zn和Mn的熱力學電位及影響它們電位的因素，以“Zinc and manganese redox potentials in organic solvents and their influence on nickel-catalysed cross-electrophile coupling”為題發表在國際頂級期刊Nature Chemistry上，引起了相關領域研究人員廣泛關注。

三、【科學啟迪】

綜上所述，本文記錄了有機溶液中Zn和Mn還原劑的熱力學電位，揭示了不同溶劑和添加劑對還原電位的影響。這些數據與循環伏安法研究完美搭配，可以深入了解還原劑的氧化還原電位與反應中關鍵氧化還原過程之間的關系。這里使用的方法很容易適應其他還原和還原偶聯反應，包括那些使用不同金屬還原劑、溶劑和反應條件的反應。結果強調了在優化Ni催化XEC，以及可能的其他還原偶聯反應時調整還原劑氧化還原電位的重要性。

原文詳情：Su, ZM., Deng, R. & Stahl, S.S. Zinc and manganese redox potentials in organic solvents and their influence on nickel-catalysed cross-electrophile coupling. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01627-5

本文由景行撰稿