图2. 反应条件筛选(来源:
Green Chem.
)
作者首先进行了条件筛选,以
N
,
N
-二苯基苯甲酰胺
1
作为标准底物,在电还原条件下实现脱酰基化反应,以石墨毡为阳极和阴极,水作为质子源,四丁基高氯酸铵作为电解质,室温下在分隔池中以91%的分离产率得到目标产物
1a
;接下来通过筛选反应条件发现,在非分隔池中该反应无法得到目标产物,更换溶剂、电解质、电极、电流大小等条件均会导致产率降低,且该反应不受空气和N
2
的影响。
图3. 电还原脱保护底物拓展(来源:
Green Chem.
)
在最优反应条件下,作者对底物的普适性进行了考察,首先是对带有不同取代基的苯甲酰胺进行拓展 (
1-8
),对于带有不同吸电子取代基的二芳基苯甲酰胺也能以中等到优秀的产率得到脱酰基化产物,
N
-烷基取代苯甲酰胺也能够电还原脱苯甲酰基,且能够兼容易被还原的羟基和烯基 (
9-12
)。为了进一步体现该策略的应用范围,作者也尝试各种
N
-苯甲酰基取代的芳杂环化合物 (
15-22
),均能以较优产率得到脱酰基化产物,对于双苯甲酰胺 (
23-24
),能够实现单一的电还原脱苯甲酰基化反应。
图4. 选择性电还原脱保护底物及药物分子拓展(来源:
Green Chem.
)
为了进一步凸显该策略的优势,作者也进一步探究了含有各类酰胺类保护基的电还原脱保护反应 (
25-36
),对于甲酰基、乙酰基、酯基等取代基均能通过电还原途径得到脱保护产物,对于化合物
36
,传统脱保护方法需要金属催化剂、氢气和高温才能顺利进行,这也进一步体现电还原脱保护策略的优势。对于NHPI酯
37
和氨基邻苯二甲酰亚胺
38
,通过电还原策略也能顺利实现N-O键、N-N键断键,为该类化合物的还原反应提供一种新途径。
接下来为了进一步研究该策略的化学选择性,作者通过对N上含有两个不同保护基的底物进行电还原脱酰基化 (
39-42
),通过所筛选的几个保护基可以发现,脱酰基化难易程度和酰基自身的还原电势直接相关。接下来作者筛选带有苄基的苯甲酰胺时发现,通过电还原过程可以化学选择性地实现苄基的脱保护反应 (
43-50
),后续机理研究表明
N
-芳基上的邻位取代基以及
N
-烷基取代的底物对选择性脱保护基有较大影响。为了进一步凸显该策略的实际应用,作者也实现了对各种带有苯甲酰基的药物和天然产物分子的电还原脱酰基反应 (
51-54
),例如,西洛他唑(Cilostazol)为一种喹啉衍生类药物,可用于缓解周边动脉阻塞患者的间歇性跛行的症状,通过该策略能化学选择性地实现其电还原脱保护反应,化合物
5
2
是工业上合成新型抗抑郁药物阿戈美拉汀(Agomelatine)的副产物,通过该电还原策略可以高效地实现其向Agomelatine药物分子的转化,且不会发生进一步的脱酰基化。对于具有生物活性的药物分子
53
和
54
,同样也能使用该策略实现选择性脱苯甲酰基反应,且不影响分子中的其他官能团,这进一步体现了该策略的应用前景。
为了进一步体现该反应的应用价值,作者接下来对原料
1
进行5.46克的克量级反应,可以以中等的产率得到脱苯甲酰基产物,并且对反应溶液酸化后得到另一产物苯甲酸。接下来作者通过对底物
3
6
进行电还原反应可以得到邻苯二甲醛和苯胺,这进一步说明苯甲酰基在电还原后转化为醛。为了探究电还原脱酰基化过程是否是由于酸或碱直接水解,作者尝试在不同的强酸和强碱体系下实现苯甲酰胺的水解,发现几乎不能得到目标产物,这进一步体现电流在该反应中的重要性。为了进一步探究产物胺中氢原子的来源,作者尝试了氘代实验,通过高分辨验证了质子来源于水。通过动力学实验和开关灯实验进一步说明了该反应需要电流来维持进行,通过自由基钟实验,作者证明了该反应历程不涉及氮自由基。
图5. 克量级实验和反应机理研究(来源:
Green Chem.
)
接下来作者通过循环伏安法也验证了底物苯甲酰胺可以在该体系中顺利地发生电还原反应。
基于以上机理验证实验,作者提出反应可能的机理:首先苯甲酰胺在阴极得电子,被还原成酰基自由基阴离子中间体
I
,发生质子化反应和进一步电还原得到缩胺醇中间体
I
I
,随后胺基离去得到产物二芳基胺和苯甲醛,苯甲醛会进一步在该体系中发生Cannizzaro反应生成苯甲酸和苯甲醇,苯甲醇会进一步电还原得到少量的甲苯。溶剂DMF或H
2
O在阳极可以发生氧化反应脱质子,从而避免了使用牺牲阳极,进一步说明了该反应的绿色环保特点。