第一作者：Armido Studer

通讯作者：Armido Studer，Dennis P. Curran

通讯单位：明斯特大学，匹兹堡大学

核心内容：

1. 酸/碱催化和电子/空穴催化的区别和联系。

2. 常见电子催化反应介绍。

研究背景

电子在多种自由基级联反应中表现通过自由基/自由基离子中间体催化反应，由于电子无处不在的性质，通过电子催化的反应通常被大家所忽略。通常，电子的催化作用和氢在催化中的作用类似，“The electron is a catalyst”的概念在表观的化学转化过程中广泛存在。多种自由基级联反应，比如自由基取代反应，碱催化芳基取代反应，自由基Heck反应，自由基交叉脱氢偶联反应，芳烃三氟甲基化反应，自由基烷氧羰基化反应等都可以归纳于电子催化反应。

常见催化反应种类：通常的催化包括酶催化，Lewis酸/碱催化，有机分子催化，过渡金属催化，氢键催化。其中最简单和基本的催化剂是氢（H⁺）和电子（e^-），在酸/碱催化反应中加成/消除氢是普遍和有效的催化方法。

历史上对电子催化反应的理解：现在的电子参与反应通常称为还原反应，30年前Eberson, Chanon, Bauld等将这种过程理解为“电子传输催化”（Electron transfer catalysis, ETC）或“单电子引发双分子活化”（double activation induced by single electron transfer, DAISET）。

目前光催化/电催化反应中通常可以设计为电子/空穴催化过程。

拟解决或者拟探索的关键问题

自由基反应控制。自由基和分子之间的反应非常快，因此反应的选择性无法保证，会发生大量副反应。因此在催化反应过程中，电子催化通常以另外的方式进行。自由基通常情况中寿命较低，具有瞬态性和高反应活性，因此通过缓慢的生成自由基/自由基离子并引发反应是大部分反应中进行的方法。通过缓慢生成自由基，并将产生的自由基反应和消除，能够对反应实现选择性进行。

“电子催化”和常规催化反应的区分。作者认为一些“催化剂”的应用并未在催化循环过程中体现，这种“催化剂”的反应应该理解为电子催化反应。

成果简介

有鉴于此，明斯特大学Armido Studer，匹兹堡大学Dennis P. Curran对酸/碱催化和电子催化进行比较，并对还原催化过程中典型电子催化反应进行总结（无过渡金属催化Heck反应、自由基交叉脱氢偶联反应、三氟甲基化反应、烷氧基羰基化反应）。研究发现，电子催化的过程，通过电子加成到反应物并从产物上脱除进行催化反应，电子的催化作用过程和方式和普通催化剂的作用类似。

要点1：催化反应/电子催化反应机理的区别

碱催化/空穴催化对比：总结了多种反应过程中生成带电物种进行的反应。在通常的碱催化反应中，碱B:-通过释放原料分子中的氢引发催化反应，并通过随后的多步反应得到产物。与之类似，当引发反应的物种是电子而不是氢时，这种催化反应过程通常被称为“空穴催化反应”。空穴催化过程通过原料分子在氧化剂作用中释放电子，生成自由基中间物种。并在随后的多步反应得到产物。常见的“空穴催化”例子：Diels-Alder周环反应。Diels-Alder周环反应通过三芳基铵阳离子氧化剂引发（Ar3N^+·）。

 图1. 碱催化/空穴催化反应对比。

酸催化和电子催化反应：在常见的碱催化反应过程中，中性底物在质子化后生成阳离子中间体，并随后转化为产物阳离子，随后通过氢转移过程得到产物。在电子催化反应过程中，电子通过还原剂与反应物反应，生成反应物自由基物种S^·-，随后经过单步/多步反应生成产物。通过常见的环加成作为例子进行阐述，比如[2+2]环加成反应，反应通过Na，NaI，叔丁醇钾等引发。

 图2. 酸催化/电子催还对比。

通过对酸/碱催化反应和还原催化反应中的机理进行比较，结果显示酸催化过程和电子催化反应类似，碱性催化过程和空穴催化反应类似。

要点2：典型电子催化反应

自由基取代反应。对比二芳胺在NH₃和光照作用中生成咔唑和传统的分子内生成C-C键过程进行比较，从机理上进行区别。结果显示，和传统的取代反应相比，其中相同的步骤是芳基/烷基卤代物的亲电化，区别是传统的取代反应中生成产物步骤中，产物自由基前体和另一分子原料经过电子转移过程反应；电子驱动的取代反应中产物自由基前体释放电子生成产物，释放的电子会继续进行下一轮催化反应。

图3. 芳烃自由基取代反应和反应机理研究。

碱促进均相芳基取代反应。无金属催化的直接C-H键芳基化反应是传统Pd/Rh催化反应的更好选择。目前该领域较年轻，发展还处于前期。比如，通过该方法，能够实现芳基碘化物和苯反应生成二芳基产物，通过分子间过程实现溴化物的转化反应。2011年，直接C-H间芳基化反应的机理得到了进展，确立了“碱促进的均相芳基取代反应”。该过程中，KOtBu中的电子通过直接或间接的方法转移到芳基卤化物中，生成对应的芳基卤化物自由基(Ar-X)^·-，随后生成Ar·和X^-。生成的Ar·加成到芳烃上并产生环己二烯基自由基，并通过KOtBu反应生成二芳基自由基。通过将电子转移到原料分子中，生成对应的产物。与之相比，电子引发的芳基取代反应中，引发剂产生电子并转移到芳基化合物上，并且在最后生成产物的步骤中，产物自由基前体上的电子直接消除生成自由电子参与到下一轮催化反应中。

 图4. 无过渡金属催化Heck反应。

作者对无过渡金属催化Heck反应/自由基交叉脱氢偶联反应/三氟甲基化反应/烷氧基羰基化反应中电子催化反应过程进行总结，发现催化过程类似，不同点在于起始步骤中和最终步骤电子的产生/流向过程。

图5. 反应底物拓展自由基交叉脱氢偶联反应/三氟甲基化反应。

要点3：总结电子催化反应

作者从机理上对传统电子催化反应进行研究，在这种反应过程中，自由基和阴离子中间体发生分离，并在随后的反应中产生自由基阴离子，通过链传递过程进行下一轮催化反应，并得到对应的产物。作者认为电子催化反应的引发过程中，具有合适还原电极电势并具有电荷传输能力的分子能够引发自由基反应。作者认为一些“催化剂”的应用并未在催化循环过程中体现，这种“催化剂”的反应应该理解为电子催化反应。

要点4：反应机理的理解

对于理解电子催化反应和催化反应之间的区别。电子催化反应的发生可以通过电化学/光化学过程引发，在电化学中通过对法拉第效率和反应情况进行比较能够很容易的理解反应是否为电子催化过程，在光反应中通过对量子效率进行测试能对反应是否为电子催化过程进行理解。“电子催化”对目前反应性较弱的反应提高催化活性、开发和设计新型反应有帮助。“电子催化”反应中，电子转移过程（可能发生引发、终止）是关键步骤，从反应中可能抑制电子引发和引起终止反应过程进行分析是提高反应活性的关键点。

小结

电子的催化目前在光/电催化中应用广泛，相关的工作更是受到审稿人和顶刊的青睐，这是由于电子催化的反应是更加绿色环保的过程，按照理论上来看，能达到接近~100 %的原子经济性，并能尽量消除副反应。最近另外有一篇关于电子催化反应的综述（Electrons and Holes as Catalysts in Organic Electrosynthesis，DOI: 10.1002/celc.201900432，https://doi.org/10.1002/celc.201900432），感兴趣的话可以看一下。

参考文献

Armido Studer, et al. The electron is a catalyst，Nature Chem 2014, 6, 765-773

DOI: 10.1038/nchem.2031

https://www.nature.com/articles/nchem.2031

作者简介

Armido Studer教授，分别于1991年，1995年在瑞士联邦理工学院获得学士学位和博士学位，师从Dieter Seebach教授。曾在美国匹兹堡大学从事博士后研究工作，师从Dennis P. Curran教授。1996年开始在瑞士联邦理工学院开展独立工作。2000年受聘为德国菲利普斯大学副教授。2004年受聘为德国明斯特大学教授。Armido Studer教授曾获得多项奖励，包括Novartis Young Investigator Award in Chemistry (2006), the Solvias Ligand Contest Award (2007), and Research Award of the WWU Münsters (2014)等

主页： https://www.uni-muenster.de/Chemie.oc/studer/studer.html

Dennis P. Curran教授，于1975年于波士顿学院（Boston College）获得学士学位，于1979年于罗切斯特大学获得博士学位，随后在威斯康星大学麦迪逊分校进行博士后工作，并在1981年就职于匹斯堡大学。其主要研究领域是天然产物全合成、新型合成方法学、手性化学。

主页：https://www.chem.pitt.edu/person/dennis-curran