探尋綠色的有機合成方法一直是有機化學家最具挑戰的研究課題之一。近年來，光促進的化學反應因其溫和的反應條件而受到廣泛關注（Chem. Rev. 2016, 116, 10075；Chem. Rev. 2013, 113, 5322）。最近，通過機械力/壓電材料作用的有機小分子合成引起了化學家的興趣（Science 2019, 366, 1500；Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 16357），該方法利用機械碰撞致使壓電材料發生分子極化，從而與反應底物發生電子轉移（圖1B）。
近期，山東理工大學李新進課題組設計了一種電磁感應促進的有機分子的氧化還原反應。該研究的設計思路是在旋轉磁場中金屬導體通過切割磁感線產生感應電動勢，通過調控磁場強度、金屬導體長度以及旋轉頻率實現與反應物的單電子轉移反應（圖1C）。在該研究思路指導下，作者成功實現了雜芳烴C?H鍵的高區域選擇性自由基三氟甲基化反應和烯烴的氫三氟甲基化反應（圖1D）。 圖1. 本研究的設計思路 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）作者利用自主設計的反應裝置（示意圖如圖1E所示），使用三氟甲基硫鹽2a為三氟甲基源，3-甲基吲哚1a作為反應底物，在旋轉磁場（B = 0.05T, v= 30Hz）和不銹鋼棒（L = 15mm）的作用下，能夠以93%產率得到目標產物。在上述條件下，2b只能得到27%的產率，而還原電勢更低的2c無法進行反應。作者推測電磁感產生的感應電動勢應該與反應物的還原電勢相匹配才能誘發電子轉移反應發生。因此，作者提高磁場強度以及旋轉頻率，令人高興地得到了預期目標（圖2A）。進一步地研究發現，在一定程度上該反應產率與磁場強度、金屬導體長度以及旋轉頻率呈正相關性（圖2B-D）。 圖2. 反應條件篩選 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）作者對該反應進行了詳細的機理探究。首先通過自由基抑制與捕獲實驗，檢測到三氟甲基自由基的加成產物（圖3A-B），說明該反應過程涉及三氟甲基自由基中間體的產生。另外，作者通過XRD和SEM表征（圖3E-F），確定了反應過程產生鐵粉。通過控制實驗（圖3C），初步驗證了該鐵粉主要是由金屬棒反應過程中失-得電子導致的（圖1C）。通過控制實驗（圖3D, G），驗證了該鐵粉不會還原三氟甲基試劑2b產生三氟甲基自由基。隨后，作者驗證了機械碰撞（圖3H-I）以及溫度（圖3J-K）對反應的影響。進一步地，通過雙電極對比實驗，說明鋼棒被極化后能夠發生電子轉移反應（圖3L）。為了驗證單電子還原反應發生在金屬導體表面，作者對反應前后的鋼棒進行SEM表征（圖3M）。最后，作者提出了該反應的可能機理（圖3N）。 圖3. 反應機理探究 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）隨后，作者對該方法的底物普適性進行了研究，首先考察了雜芳烴的三氟甲基化反應（圖4A）。在最優條件下，富電子（雜）芳烴吲哚、吡咯等底物展現出良好的反應性（3a-3q）。該方法具有良好的官能團兼容性，如氰基、氨基、鹵素、烷氧基、酰基和酯等。值得注意的是，升高磁感應條件（B, L, v）能夠顯著提高吲哚（1i-1m）、吡咯（1n-1p）的三氟甲基化反應區域選擇性。通過對比實驗初步證明這主要是由于提高磁場強度導致的。另外，在最佳反應條件下，以水為氫源實現了烯烴的氫三氟甲基化反應（圖4B）。該反應適用于各種烯烴底物包括生物活性分子或藥物分子衍生物，以良好的收率得到目標產物（5a-5l）。進一步地，作者通過氘代實驗以及控制實驗，驗證該反應的氫源來于水而不是溶劑（圖5）。 圖4. 反應底物拓展 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）圖5. 烯烴的氫三氟甲基化反應機理探究 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）為了進一步證明該方法的實用性，作者進行了克級放大實驗（圖6A）。另外，通過提高磁感應條件（B, L, v），成功活化了還原電勢更低的二氟甲基雜芳基砜，以良好的產率得到相應的二氟甲基化產物（圖6B）。圖6. 合成應用 （圖片來源: J. Am. Chem. Soc）綜上所述，該研究工作創新性地將電磁感應原理應用到有機化學反應中，開辟了一種新型的氧化還原反應方法。該方法將磁場引入反應體系，與光、機械力促進的電子轉移反應相補充，通過后期深入探究磁場對反應中間體的影響，有望解決目前化學反應中存在的某些問題。
該工作以“Redox Reactions of Organic Molecules Using Rotating Magnetic Field and Metal Rods”為題發表在J. Am. Chem. Soc（DOI: 10.1021/jacs.4c05987）。文章第一作者是山東理工大學化學化工學院碩士研究生劉浩東和韓旭亮，通訊作者為山東理工大學李新進副教授、劉會和趙增典教授。該研究工作得到了國家自然科學基金和山東省自然科學基金的資助。李新進，山東理工大學化學化工學院副教授、碩士生導師。2010年于山東科技大學獲得應用化學理學學士學位；2016年獲得華東理工大學應用化學工學博士學位（與中科院上海有機化學研究所聯合培養），導師：王利民教授、胡金波研究員；2016年6月任山東理工大學講師、副教授；2022年至2023年于美國佛羅里達大學化學系從事訪問學者工作，導師：William R. Dolbier教授。主要研究領域為有機含氟化合物的合成方法學研究，多能場調控的有機合成化學研究。迄今為止，以第一或通訊作者身份在J. Am. Chem. Soc., Org. Lett.等高水平期刊發表學術論文20余篇。 文獻詳情：
Redox Reactions of Organic Molecules Using Rotating Magnetic Field and Metal Rods.Haodong Liu, Xuliang Han, Xiaomei Feng, Lizhi Zhang, Fenggang Sun, Fuchao Jia, Zengdian Zhao*, Hui Liu*, and Xinjin Li* https://doi.org/10.1021/jacs.4c05987
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