今天给大家分享一篇最近发表在Science上的研究，题为：Microfluidic electrochemistry for single-electron transfer redox-neutral reactions，文章有两位通讯作者，分别是麻省理工学院的Stephen L. Buchwald教授与Klavs F. Jensen教授.

图 1 光催化与电催化的基于单电子转移的氧化还原中性偶联反应。

近年来，有机光化学反应取得了极大地进展，人们利用光催化剂被光激发后氧化还原电势的变化，能够使电子在化合物间发生选择性转移，进而实现许多传统方法难以实现的反应。但是，光催化反应也有其局限性，比如：大多数光催化剂是有机金属化合物，造价较高，对产物的纯化也造成了挑战；光催化剂的氧化还原电势范围有限，无法做到精确、连续的调控，间接限制了其反应选择性；同时，目前大多数光催化剂的兼容性有限，难以催化含有强亲电或亲核试剂的底物。相比之下，电化学合成所使用的是廉价的电力，电势能够精确地调控，同时并不会给纯化带来影响，因此近年来电化学合成逐渐发展为光催化有力的互补方法。

图 2反应模块的设计与模型图

在传统的电化学反应中，往往是在一个电极产生产物，另外一个电极产生副产物。但是，氧化还原中性（redox-neutral）的电化学反应，即将两个电极附近半反应产物（往往是自由基）继续进行偶联的反应，却并不多见。其中主要的原因是自由基的寿命较短，而电化学反应器的电极之间的距离较长，在扩散的过程中大部分自由基会发生分解，导致最终合成产率极低。在本文中，作者发展了一种基于微流控技术的电化学反应模块（μRN-eChem），电极之间的距离可以缩短至25 μm，降低了自由基在扩散过程中分解带来的影响，从而高效地实现了许多传统方法难以实现的偶联反应。

图 3 BPDN自由基的降解动力学及其偶联反应

作者以玻碳为电极材料，设计了如图2所示的微流控反应模块，电极间的距离能够通过中间垫片的厚度进行精确的调节。在模型反应中（图3），作者测定了一种芳香氰化物（BPDN）自由基的半衰期，并将其与两种半衰期较短的sp³-C自由基进行偶联，结果显示，产率随电极之间距离的增加而降低，对于底物10，在微反应器中的反应产率要比传统方法有显著的提高。

图 4 作者在反应模块中尝试的部分反应

接下来，作者使用多种反应验证了本方法的适用性。在脱羧芳基化反应中，通过该方法能够较为高效地实现脂肪酸的芳基化反应，而在光催化体系中，烷基自由基往往会导致光催化剂的淬灭。同时，作者也尝试了其他瞬态自由基参与的反应，比如：胺的α-碳芳基化、脱硼芳基化、巯基催化的烯丙基碳芳基化与Minisci反应等，均取得了不错的效果。相比于有机光催化，电化学的成本低廉，同时流动化的反应过程使得工艺易于放大，结合电化学反应器，作者成功地实现了液晶分子4-氰基-4'-戊基联苯（5CB）的克级合成（图5）。

图 5 5CB的连续合成

总结来说，本文发展了一种基于微流控的电化学反应器，通过缩短电极间的距离，降低了自由基在扩散过程中的分解，使得氧化还原中性的电化学反应成为了可能，有利于绿色化学的发展。虽然仍然有优化的空间，但是本文的思路将会为后续相关反应的设计提供有力的指导。

作者：Roy Wu 审校：XW

DOI: 10.1126/science.aba3823

Link: https://science.sciencemag.org/content/368/6497/1352