电化学好还是有机合成好（Nature电化学或将彻底改变有机合成领域）

电化学好还是有机合成好（Nature电化学或将彻底改变有机合成领域）电化学合成领域的挑战之一是，除了浓度和温度等影响常规有机反应的变量外，还必须考虑更广泛的参数变量(如电流、电压和电极材料)。对每个反应优化所有这些变量将是非常耗时的，而且一个反应的最优条件集可能对相关其它反应来说不是最优的。理解复杂的电化学反应来预测结果是使用电化学方法和技术来解决未满足需求的关键。电化学交叉耦合反应简图Kimberly A. See团队的研究人员之前已经开发了克服有机合成挑战的电化学方法。其中包括在合成复杂生物活性分子的后期将甲基(-CH3)结合到特定分子位点的方法。这很有用，因为添加一个甲基基团可以使化合物与其生物目标的结合亲和力提高1000倍以上，这种现象被称为神奇的甲基效应。Kimberly A. See等人针对烷基卤化物类化合物，通过电化学交叉偶联，以电化学方法制备sp3杂化C-C键，这利用了这两种试剂的不同氧化还原性质。为了使反应成功，反应物卤代烷之间必须有一方

碳原子间化学键的形成是合成分子的关键，这些分子被广泛应用于制药、农用化学品和材料等领域。然而，将与其他四个原子相连的碳原子(称为sp3杂化碳原子)连接在一起仍然是一个挑战。碳原子与其他三个原子(sp2杂化碳原子)的耦合更直接，建立得更好。但是sp3杂化耦合产生的分子比sp2杂化耦合产生的分子具有更大的三维性，后者更平坦。具有这样的三维结构有助于药物分子在临床试验中的成功，显然克服这些挑战的努力是值得的。2022年2月21日，在《自然》杂志上，美国加州理工学院化学与化学工程系Kimberly A. See等人报道了一种从含有sp3杂化碳的试剂中生成碳碳键的电化学方法（https://www.nature.com/articles/s41586-022-04540-4）。

化学反应源于分子中电子的引入和随后的移除或重排。除了形成最终产物所需的试剂外，通常还需要其他试剂来使电子来回传输。例如，一种金属催化剂可能会给出它的电子，使其中一种起始材料中的一个键断裂，然后重新获得电子，形成新的键，生成产物。

使用金属催化剂是一种非常有效的断裂旧键和生成新键的方法。事实上，包括C-C键形成的反应是由过渡金属催化的，称为交叉偶联反应和置换反应，在化学工业中应用广泛，相关研究分别在2005年和2010年获得了诺贝尔奖。但在某些情况下，金属催化反应的产物选择性较低，电子可能从分子中错误的位置被注入或移出，从而导致不期望的副反应及其相关产物。

电化学合成涉及到通过直接使用电流中的电子来形成新键，而不需要使用电子传输试剂。不同的分子有不同的氧化还原电位(衡量分子接受电子的难易程度)，这使得电化学反应可以调整为最佳的产物选择性。

Kimberly A. See团队的研究人员之前已经开发了克服有机合成挑战的电化学方法。其中包括在合成复杂生物活性分子的后期将甲基(-CH3)结合到特定分子位点的方法。这很有用，因为添加一个甲基基团可以使化合物与其生物目标的结合亲和力提高1000倍以上，这种现象被称为神奇的甲基效应。Kimberly A. See等人针对烷基卤化物类化合物，通过电化学交叉偶联，以电化学方法制备sp3杂化C-C键，这利用了这两种试剂的不同氧化还原性质。

为了使反应成功，反应物卤代烷之间必须有一方更容易接受电子。最初使用计算机研究和循环伏安法(一种测量氧化还原电位的技术)来确定附着在卤代烷上的化学基团的数量如何影响这些化合物被化学还原的难易程度。研究人员得出结论，具有较多化学基团的高度取代烷基卤化物比取代少的烷基卤化物更容易被还原。因此，高度取代烷基卤化物有望在交叉偶联反应的电化学步骤中获得电子，形成一种还原性中间体，这种中间体将攻击取代较少的试剂，形成新的C-C键。

Kimberly A. See等人通过实验验证了这一假设，并观察到交叉偶联确实如预期发生(图1)。然后，使用这种化学方法制备了各种交叉偶联产物，包括形成碳-硅和碳-锗键的例子。合成出来的一些分子与药物化学有关。例如，作者将他们的电化学方法结合到一个反应序列中，在布洛芬甲酯(止痛药布洛芬的衍生物)中添加一个甲基，并在一个化合物中激活维甲酸的受体，维甲酸是维生素A的代谢物。

电化学交叉耦合反应简图

电化学合成领域的挑战之一是，除了浓度和温度等影响常规有机反应的变量外，还必须考虑更广泛的参数变量(如电流、电压和电极材料)。对每个反应优化所有这些变量将是非常耗时的，而且一个反应的最优条件集可能对相关其它反应来说不是最优的。理解复杂的电化学反应来预测结果是使用电化学方法和技术来解决未满足需求的关键。

在Kimberly A. See等人的电化学交叉偶联反应中，最佳电极材料是镁。然而，这种金属本身具有电化学活性，它在反应过程中释放镁盐，这些镁盐在电极上形成一层惰性外壳，最终阻止进一步的反应。如果能够进一步解决这一局限性，理想情况下可以通过修改电极材料来防止金属盐的形成，这将使新的反应过程更有利于工业应用。

电化学合成在过去的十年中再次成为了研究热门，随着用户友好技术的出现，使研究人员广泛参与到该领域。与传统的有机合成相比，电化学被认为是更安全、高选择性、可持续和环保的。许多合成化学家现在使用电化学反应，但往往忽略了许多应该考虑反应优化的变量。然而，由于物理化学家和电化学家的大量工作，有丰富的信息可以帮助他们。合成化学家和电分析科学家之间的进一步基础研究和合作现在需要使电化学合成反应的各个方面得到充分的理解和更好的利用。

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