Nature Chemistry：镍催化交叉亲电试剂偶联反应的重要进展

一、【科学背景】 

过渡金属催化的偶联反应是合成化学中碳-碳键形成的主要方法。镍催化的交叉亲电试剂偶联（XEC）反应使用非贵金属催化剂，可以接触到更多样且成本更低的试剂，因此受到越来越多的开发和应用的关注。

Ni催化的XEC反应需要一个电子源来支持整体的交叉偶联反应。例如，需要将Ni催化剂还原为低价中间体以启动氧化加成或从有机亲电体的卤素原子转移。已经使用了各种还原剂来促进这些反应。目前，锌或锰金属粉末是最广泛使用的。然而，Zn和Mn在有机溶剂中的热力学电位尚不清楚，也没有探索在典型反应条件下影响它们电位的因素。

二、【创新成果】

近日，威斯康星大学麦迪逊分校研究人员展示了如何使用开路电位测量来确定不同有机溶剂中以及在常见反应添加剂存在下的Zn和Mn的热力学电位。作者在与Zn和Mn还原电位相对应的施加电位和优化以实现最大产率的电位下，比较了N-烷基-2,4,6-三苯基吡啶鎓试剂（Katritzky盐）与芳基卤化物的Ni催化偶联。总体结果阐明了还原剂的氧化还原电位在Ni催化XEC反应中的重要作用。

图1在镍催化的XEC中使用金属还原剂。（a）镍催化的C(sp²)–C(sp³) XEC反应的一般描述。（b）显示金属还原剂对产物产率影响的镍催化XEC反应的选定例子。（c）锌和锰在水溶液中的Pourbaix图和开路电位/电压的常见应用说明，这是一种可以用来确定有机溶剂中锌和锰氧化还原电位的技术。（d）说明金属还原剂热力学电位OCP测量的示意图。Dme，1,2-二甲氧基乙烷；bpy，2,2'-联吡啶；dmbpy，5,5'-二甲基-2,2'-联吡啶；DMO，二甲基草酰；phen，1,10-菲啰啉；dppf，1,1'-双(二苯基膦)二茂铁；SHE，标准氢电极；Fc/Fc⁺，二茂铁/二茂铁阳离子。© 2023 Springer Nature

图2锌和锰的热力学电位。（a）OCP测量的实验设置。（b）溶剂对锌和锰的正式热力学电位以及[Ni(bpy)₃]Cl₂的氧化还原电位的影响。（c）化学法和电化学法Ni/tBubpy催化的苄氯和苯基碘化物偶联反应结果的比较。（d）添加剂对锌和锰的热力学电位的影响。SM，起始材料。© 2023 Springer Nature

开路电位（OCPs）是在不通过电流或施加外部电压的情况下测量的，作者通过在与镍催化XEC反应相关的多种条件下测量锌和锰相对于参比电极（Ag/AgNO₃）的OCPs。作者选择了在镍催化XEC反应中常用的八种溶剂进行OCP测量，以探究溶剂对锌和锰还原电位的影响（图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）、二甲基亚砜（DMSO）、乙腈（MeCN）和四氢呋喃（THF）。在不同溶剂中测量的OCPs通过校正M²⁺离子的非标准状态浓度转换为相对于Fc/Fc⁺的热力学电位（E°′）。

锌和锰的还原电位在一系列酰胺和尿素溶剂（DMF、DMA、NMP、DMPU和DMI）中显示出适度变化：Zn的ΔE°′≤50 mV，Mn的ΔE°′≤80 mV。DMSO和THF中的Mn电位与在酰胺溶剂中观察到的相应电位相似。相对于酰胺溶剂中的相应电位，DMSO中的Zn电位更负，THF中的Zn电位更正。在MeCN中，Zn和Mn的电位发生了显著变化，与在DMSO和酰胺溶剂中测量的电位相比，增加了高达260-370 mV。Zn和Mn的氧化还原电位比[Ni(bpy)₃]Cl₂的电位更正，尽管在DMSO和酰胺溶剂中Mn的差异相当小（ΔE°′≤90 mV）。在这些溶剂中，Zn的差异更大（ΔE°′≤270 mV）。

DMF是XEC反应中最常用的溶剂之一。添加剂，如LiCl和LiBr等，通常包含在反应混合物中。在DMF中存在各种添加剂（200 mM）时，对Zn和Mn的OCP测量表明，Zn和Mn的还原电位可以变化近300 mV，具体取决于添加剂。卤素离子，特别是氯化物盐，将Zn和Mn的还原电位相对于在弱配位阴离子存在时记录的值转移到更负的值。在MeCN和THF中进一步探究了卤素离子的影响，观察到了类似的现象。

图3锌和锰氧化还原电位与镍催化XEC中基于镍的氧化还原过程的相关性。（a） 使用Ni/dmbpy催化剂（dmbpy，5,5'-二甲基-2,2'-联吡啶）将苯乙烯基乙酸酯与烷基溴化物进行还原性交叉偶联。（b）使用DMO活化醇，并通过Ni/混合配体催化剂体系（配体：phen，1,10-菲啰啉；dppf，1,1'-双(二苯基膦)二茂铁）实现苄醇与芳基三氟甲磺酸酯的净交叉偶联。（c）在底物存在和不存在的情况下对Ni/dmbpy进行CV分析。（d）在底物存在和不存在的情况下对Ni/dppf/phen进行CV分析。© 2023 Springer Nature

图4烷基Katritzky盐与芳基溴化物的XEC反应。反应以热化学方式进行，使用锌或锰作为还原剂，或在变化的施加电位下进行电化学反应。© 2023 Springer Nature

金属锌和锰是许多还原性交叉偶联反应的有效还原剂，但它们的各自氧化还原电位并不一定适合每种反应，而电化学电位可以在很宽的范围内连续调节。本文概述的开路电位（OCP）测量使得能够在反应条件下直接比较化学和电化学镍催化XEC反应在锌和锰的还原电位，并且这些结果可以与其他施加电位下进行的电化学反应进行比较。使用N-烷基-2,4,6-三苯基吡啶盐（Katritzky盐）的反应是探索这些问题的一个重要目标，因为当使用具有不同还原电位的均相有机还原剂时，它们在镍催化XEC反应中表现出可变的性能。图4中的结果对镍催化XEC反应具有重要意义。使用化学还原剂的这些反应的大规模应用已经因为使用金属粉末试剂（非均匀的颗粒属性和反应性，悬浮在反应器中的密集粉末的困难）或空气敏感的有机还原剂的挑战而变得复杂。图4中的数据表明，化学还原剂的量化/不可调氧化还原电位将限制优化反应性能的机会。这些挑战可以通过使用电化学来提供反应中所需的电子来解决。

该研究首次确定不同有机溶剂中以及在常见反应添加剂存在下的Zn和Mn的热力学电位及影响它们电位的因素，以“Zinc and manganese redox potentials in organic solvents and their influence on nickel-catalysed cross-electrophile coupling”为题发表在国际顶级期刊Nature Chemistry上，引起了相关领域研究人员广泛关注。

三、【科学启迪】

综上所述，本文记录了有机溶液中Zn和Mn还原剂的热力学电位，揭示了不同溶剂和添加剂对还原电位的影响。这些数据与循环伏安法研究完美搭配，可以深入了解还原剂的氧化还原电位与反应中关键氧化还原过程之间的关系。这里使用的方法很容易适应其他还原和还原偶联反应，包括那些使用不同金属还原剂、溶剂和反应条件的反应。结果强调了在优化Ni催化XEC，以及可能的其他还原偶联反应时调整还原剂氧化还原电位的重要性。

原文详情：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