第一作者：Yiming Mo, Zhaohong Lu
通讯作者：Klavs F. Jensen, Stephen L. Buchwald
通讯单位：麻省理工学院
研究要点：
1.通过电化学微流反应器快速高效进行多种电化学有机反应。
2. 对多种单电子（自由基）催化反应有较好的反应性。
3. 该反应具有方便大量合成、价格低廉、环境友好；和光催化方法相比，这种方法无需使用贵金属催化剂或复杂有机染料分子。
研究背景
在过去的一些年间，有机化学领域中的可见光催化得到了广泛关注和发展，但是可见光催化中通常需要贵金属基配合物或者复杂的有机分子染料，其中的缺点是显而易见的：还原电极电势是确定的，对价格高昂，对强亲电性、亲核性、高反应性的自由基反应物无法兼容；反应后需要去除去光催化剂得到反应产物。
与之相比，电化学合成方法是一种环境友好，价格低廉，易于放大量反应。因此，将通过光进行的单电子反应过程通过调节反应过程，使其通过电催化方法进行，有较大的实际意义。
针对自由基容易淬灭的特点优化微流电化学反应器的结构，开发绿色环境友好的电催化反应平台。
有鉴于此，麻省理工学院Klavs F. Jensen, Stephen L. Buchwald等报道了通过优化电化学有机单原子合成反应平台（μRN-eChem），有效的实现了自由基交叉偶联、Minisci反应、Ni催化C(sp2)-O交叉偶联反应等多种单电子电化学反应。与此同时，江苏师范大学90后副教授刘建全等人对此发表PERSPECTIVE展望文章。
该微流反应器中分别在阳极、阴极上反应生成反应中间体物种，并通过在微流反应器中产生的中间体快速扩散进行反应，通过快速的扩散和进行反应抑制了中间体的分解。
图1. 单电子电催化反应/微流电化学反应器设计Scheme
要点1. 反应实施
微流反应器优化。通过玻碳作为电极，通过532 nm激光构建不同电极距离（25~500 μm）的流动相反应器。作者通过4,4'-联苯二甲腈自由基（BPDN）作为模型分子，测试了与正己酸、苯甲酰基甲基乙酸之间的反应效果随着不同电极距离变化情况，对微反应器的结构进行优化。结果显示当电极具体增加，产率明显降低。作者发现当电极距离为25 μm时，偶联反应的效果较好。
要点2. 反应底物、反应类型拓展
脱羧偶联反应底物拓展。在25 μm的流动相电反应器优化反应情况，发现当使用Bu4NOH作为碱，MeCN作为溶剂，以6倍羧酸作为反应物，有较好的反应性。作者发现，这种微流动相反应器能对脂肪酸有较好的兼容性（在光反应条件中，其烷基自由基能量较高，通常难以兼容），对苯丙酸、3-庚基甲酸、环戊基甲酸、Boc-N杂环己基甲酸等脂肪酸以49~66 %的产率进行偶联反应。苄基羧酸、萘普生（Naproxen）等分别以65 %和73 %进行反应。苯甲酰基修饰的α-氨基酸作为反应物，在本反应器中同样能够实现制备苄基酰胺（产率~70 %）。
反应类型拓展。除了对硼酸作为偶联反应剂的偶联反应，该电催化策略同样在对二氰基苯和有机芳胺、烷基硼氟酸的偶联反应。该微流反应器对其他种类的催化反应同样兼容，作者测试了硫醇催化的烯丙基芳基化反应，Minisci加成反应，Ni催化C-O交叉偶联反应，发现都能够很好的进行。图3. 反应类型拓展：α-胺基位点C-H/芳基化、硼氟酸脱硼芳基化、硅硫醇催化烯丙基C-H/芳基化、Minisci加成、Ni催化C(sp2)-O交叉偶联反应
作者通过电化学微流反应器平台进行克级放大实验测试。测试了一种液晶重要材料4-氰基-4’-戊基联苯的两步克级电催化合成反应，结果显示通过以低于对价格＜$1/g的氰基氯苯作为反应物，通过Ni催化脱氯偶联反应生成4, 4’-二氰基联苯；4, 4’-二氰基联苯和正己酸四丁基铵在40 ℃中3.3 V进行电催化反应，得到了价格~$100/g 4-氰基-4’-戊基联苯。Klavs F. Jensen教授一直致力于微型反应器的发展和应用，并且在2016年在Science报道了一种“电冰箱”大小的药物合成平台，功能强大，能够快速的合成多种药物分子（Benadryl、lidocaine、Valium和Prozac），由于其具有较大的实际应用价值，受到了包括美国政府、药企的广泛关注。图5. 前期工作（电冰箱大小的药物合成工厂）. On-demand continuous-flow production ofpharmaceuticals in a compact， reconfigurablesystem. Science 2016, 352, 61-67 DOI：10.1126/science.aaf1337
Yiming Mo, Zhaohong Lu, Girish Rughoobur, Prashant Patil, NeilGershenfeld, Akintunde I. Akinwande, Stephen L. Buchwald*, Klavs F. Jensen*. Microfluidic electrochemistry for single-electron transfer redox-neutralreactions, Science 2020DOI：10.1126/science.aba3823https://science.sciencemag.org/content/368/6497/1352.fullKlavs F. Jensen教授，美国麻省理工学院化工系教授和材料科学与工程系教授，美国科学院和工程院两院院士，微反应器技术领域主要学术带头人。Jensen教授的兴趣广泛，研究领域覆盖了半导体过程，新药开发，生物技术，医疗技术，光学和化工能源应用技术等。研究组主页：http://jensenlab.mit.edu/Buchwald 教授是美国艺术与科学院院士和美国国家科学院院士，致力于金属有机化学领域的碳-碳键形成反应、碳-杂原子键形成过程、新配体的设计和应用等方向的研究，并在有机化学领域获得大量荣誉。研究组主页：http://chemistry-buchwald.mit.edu/
