图1.
烯烃和芳基卤化物的电还原氘芳基化反应（来源：
Chem.
Sci.
）
在获得最优反应条件后，作者接下来研究了该电还原氘芳基化反应的底物范围
(图2)。首先使用含不同取代基的芳基碘化物与苯乙烯进行反应，具有取代基(苯基，溴、酯、氰基、氟，氯和甲氧基)的芳基碘化物均具有良好的耐受性，相应产物
(
3
-
12
) 以中等至良好的产率获得，氘代率高达99%。具有大共轭结构的芳基碘化物
(萘、菲和芴) 也适用于该体系，反应以良好的产率获得预期产物
(
13
-
15
)。苯乙烯与6-碘-1,4-苯并二氧烷的反应效果良好，产物
(
16
) 的产率为91%，氘代率为99%。随后，作者研究了
α
-甲基苯乙烯与取代芳基碘化物的反应。在芳环上含有各种取代基
(丁基、甲氧基、丙基环己基、卤素、三氟甲基、三氟甲氧基、二氟甲氧基、卤素、异丙基和甲基) 的芳基碘化物与该电解体系的相容性很好，反应以32-85%的产率获得相应产物
(
17
-
33
)。含萘环、苯并[
d
][1,3]二恶唑和噻吩结构的碘化物在该电解体系中也能耐受
(
34
-
36
)。随后，作者研究了不同烯烃的反应活性。苯环含不同取代基
(叔丁基、甲氧基、二氧烷基、乙基、卤素和异丙烯基) 的芳基乙烯在反应中都表现出良好的反应性，产物
(
37
-
45
) 的产率为51-97%。萘环和苯并[
d
][1,3]二恶唑的耐受性良好
(
46
-
47
)。几种
α
-取代苯乙烯，包括
(1-环丙基乙烯) 苯，二苯乙烯和
(4-甲基戊-1-烯-2,4-二基)二苯也被用于反应，并以中等产量提供产物
(
48
-
50
)。此外，内烯也被证明能用于氘芳基化反应
(
51
)。
图2. 电还原氘芳基化反应的底物拓展（来源：
Chem.
Sci.
）
为证明该策略的实用性，作者将该氘芳基化反应用于其它生物活性分子的转化
(图3a)。由
L
(-)-冰片、
L
-薄荷醇、埃卡瑞丁、
N
-Boc-
L
-脯氨酸醇、异冰片醇和紫苏醇等几种生物活性分子衍生的芳基碘化物可以中等的收率转化为单氘化产物
(
52
-
57
)，氘代率高达99%。为进一步说明该方法的实用性，作者进行了放大实验
(图3b)。当将碘苯的用量扩大到5 mmol或 10 mmol，产物 (
3
) 的产率都能保持稳定。以1-溴-4-碘苯为底物，在10 mmol的条件下
(恒电流= 60 mA, 72 h)
电解，产物
(
5
) 的产率为47%，氘代率为99%，反应产生部分脱卤副产物。化合物
23
可以通过Sonogashira偶联和Suzuki-Miyaura偶联反应进行后期修饰
(
58
-
60
)
(图3c)。
图3.
其它生物活性分子的应用、放大实验和化合物
23
的衍生（来源：
Chem.
Sci.
）
作者随后进行了控制实验研究反应机理
(图4)。在标准条件下分别加入自由基抑制剂（BHT和TEMPO）均能显著抑制反应，该结果表明反应可能经由自由基的过程
(Eqn. a)。在体系中加入9,10-二氢蒽成功实现对苯基自由基的捕获
(
61
)，同时
17
的产率显着降低
(Eqn. b)。随后，作者进行了氘标记实验。作者在标准条件下对1,2-二苯基乙烷进行电解，并无发现H/D交换产物的生成
(Eqn. c)。接着，使用DMF-
d
7
为溶剂进行氘标记研究，结果证明反应所需的质子来自水而不是DMF (Eqn. d)。
图4. 控制实验（来源：
Chem.
Sci.
）
图5. DFT计算及可能的反应机理（来源：
Chem.
Sci.
）
为了深入研究
SER
(单电子转移) 过程，作者进行了密度泛函理论
(DFT) 计算 (图5)。如图5a所示，二联吡啶自由基阴离子可与碘苯 (
2
) 通过π-π相互作用形成
2-Med
复合物。分子轨道计算表明，
[Med-1]
•−
中半占轨道
(SOMO) 的能级与
2
中最低空轨道
(LUMO) 的能级接近，使得
[Med-1]
•−
向
2
的电荷转移
(CT) 能够顺利进行，促进了
2-Med
的形成
(图5b)。通过比较分子轨道的能隙发现，LUMO(
2
)-SOMO
[Med-1]
•−
能隙明显小于LUMO(
A
)-SOMO
[Med-1]
•−
能隙，证明了二吡啶媒介物可以有效控制化学选择性，避免了烯烃氘化副反应。随后，
2-Med
释放
Med-1
形成碘苯自由基阴离子
(
TS1
)，其中
TS1
包含两个独立的部分:苯基自由基和碘离子。
TS1
的静电电位
(
ESP
) 和电子自旋密度分布表明，负电荷主要分布在碘部分，单电子主要位于苯基的单个碳原子上 (图5c)。自由基阴离子
TS1
在Cs
2
CO
3
的促进下释放碘离子形成苯基自由基
(
B
)，同时能量下降 (ΔG1 = -3.2 kcal/mol)。然后，苯基自由基进攻烯烃
A
的不饱和双键，生成自由基中间体
C
，该中间体通过过渡态
TS2
，反应能垒为10.2 kcal/mol (ΔG2)。中间产物
C
在阴极经过单电子还原
(
SER
) 转化为阴离子
D
，再通过与D
2
O质子化形成最终产物 (图5d-e)。
