电化学产生α-氨基自由基及在有机合成中的应用：电子作为清洁的氧化还原剂

α-amino radicals are a class of important active organic intermediates. Traditionally, the synthetic method suffers several disadvantages, such as: complex model substrates which need multiple steps to synthesize as well as time and energy wastes; the utilization of organotin and organosilicon hydride/AIBN as radical initiator as well as the protecting group leaving resulted in low atom economic and heavy environmental pollution. Recently, visible light catalyzed redox generating α-amino radicals was also developed. But the expensive photosensitizer limits its application on large industry scales. Electrochemistry as an independent discipline obtained tremendous advances. Importantly, electricity as the energy tool was utilized for the organic synthesis was reported from 20th century and demonstrated unique ability. The nature of redox reaction is electron transfer. Thus, in principle, electron can be treated as the surrogates of chemical redox reagents. Therefore, the avoiding emission of organic chemical wastes fundamentally will reduce environmental pollution. This project adopts new “polarity match” concept to deliver α-amino radical species via electrical hydrogen atom transfer (HAT) for the construction of physiologically active pharmaceutical and natural products backbones. There are several advantages of this program, for instance, easy to setup and workup, environmental friendly, high atom economic as well as in line with green chemistry purpose.

α-氨基自由基是一类重要的活泼有机中间体。传统方法产生此类自由基存在诸多缺点，如模版底物复杂，需要多步合成，造成时间和能源的浪费；多数反应需要有机锡氢、硅氢/AIBN做引发剂；保护基团离去时，造成原子经济性低，有机废弃物排放严重，污染环境。近年来，光催化氧化还原产生此类中间体已有发展，但光敏剂价格昂贵，限制了大规模工业化生产的可能。电化学作为一门单独的学科已经得到长足的发展。把电用于有机合成上世纪已有报道，并展现出特异的性能。氧化还原反应的本质是电子转移，理论上，电极电子可直接用作氧化还原剂代替当量的化学氧化还原试剂。从根本上最大限度的减少化学废弃物的排放，极大的降低环境污染。本项目采取全新的“极性匹配”的概念，通过电催化氢原子转移的策略，实现不同于传统方法的电催化α-氨基自由基的产生；环境友好，原子经济性高，为生理活性的药物、天然产物的分子骨架合成提供理论依据。

项目按照计划书在电催化有机合成领域开展研究。1）利用“推拉效应”和“离域作用”，实现了环境友好条件下电化学产生氮中心自由基（NCRs）。在氮中心自由基的基础上，通过改变电极材料、电解质类型、反应溶剂等高选择性的实现脱氢C-N键vs N-N键偶联反应。成果被Angew.Chem.Int.Ed.遴选为VIP和正封面文章。基于对氮中心自由基的认识，设计了电化学脱氢C-N键氨化偶联反应，在环境友好条件下构筑咔唑骨架衍生物，反应可以放大到克级，并且可以用于具有生理活性生物碱Clausines的合成。基于上述课题中涉及电化学去芳构化的认识，受邀撰写了电催化条件下电子作为清洁的氧化还原剂替代传统的化学类氧化还原剂的综述，指出该研究方向的最新研究进展，所面临的问题和今后发展的方向，被Web of Science遴选为高被引文章。2）实现了温和条件下过渡金属Mn，Co电催化可控产生氯自由基参与的反应，方便的实现了烯烃双官能团化反应。3）针对富电子杂环，实现了电促进的无过渡金属条件下的直接C-H键溴化反应；同时针对缺电子的杂环，通过引入定位基团，同样实现了电促进的无过渡金属条件下的直接C-H键溴化反应，为潜在药物中间体构筑，提供了方便简单的新方法。基于对电化学促进的C-H键官能团化的认识，受邀撰写该方向的综述，提出面临的问题和未来发展的方向。4）鉴于alpha-氨基自由基的高活性和极易过氧化的特性，具体涉及其参与的电有机合成反应研究正在我们课题组开展进行中，目前的主要工作是要证实自由基机理而非离子性反应历程。截止目前，以通讯作者发表SCI论文14篇，其中包括化学类标志性期刊Angew.Chem.Int.Ed.1篇，且该工作被遴选为VIP文章和正封面文章，电催化产氢 Advanced Energy Material (IF=29.368)1 篇，高被引文章1篇，授权专利3件。署名参与发表SCI论文11篇。