日本横滨国立大学的信田尚毅副教授、迹部真人教授、东京大学的横川大辅副教授、须田佳代特任研究员组成的研究团队，与北海道大学的研究团队合作，成功开发出了一种能通过电化学激活卤素原子与路易斯碱之间卤键的相互作用，实现质子与电子协同迁移的新型分子催化剂。这一成果不仅实现了电化学催化下N保护氨基联苯的分子内C-N键形成反应，还成功对催化剂的性能进行了定量评估。这类催化剂的相互作用可通过电化学氧化实现活化，催化分子与底物、碱形成复合物。实验与理论计算证实，该复合物通过实现质子与电子的协同迁移，大幅提升了反应速度与化学选择性。此项研究为迄今尚未确立统一设计指南的电化学催化领域提供了全新的设计思路。相关研究成果已发表在《Journal of the American Chemical Society》上。
图1. 本次研发的催化剂及其用于C-N键形成反应的示意图（供图：横滨国立大学）
当前，利用电化学的分子转化技术备受关注，但直接在电极上进行分子转化的电解反应，面临需要过高能量（过电压）以及电极劣化等问题。作为解决这些难题的手段，一种被称为“介体”的催化分子正受到关注。介体分子通过在电极与目标反应分子之间充当电子迁移的媒介，不仅有助于解决上述问题，还能大幅提升化学反应的选择性与效率。然而，目前尚未建立明确的设计指南来指示何种分子适合作为介体使用。
此次研究团队成功开发出了一种具备电化学开关型相互作用的新型介体分子。尤为关键的是，研究团队首次实现了将电化学活化的卤键相互作用应用于有机反应，这将为开发多样化的催化剂分子和推动电化学发展作出贡献。在该反应中，首先通过在电极上将介体分子进行单电子氧化，将其转化为电子缺失状态，从而激活卤键相互作用。随后，氨基联苯类化合物与活化后的介体分子相互作用，形成卤键复合物。该复合物的形成驱动了质子与电子的协同迁移，促使反应进行，最终在分子内形成芳香环与碳－氮键之间的新化学键。
此外，研究团队通过在介体分子中引入蒽骨架，使原本不稳定的单电子氧化态得以稳定化，从而实现了催化性的碳—氮键形成反应。基于此策略，研究团队利用多种含不同卤素的介体分子，成功以四种带有不同保护基的氨基联苯类化合物为底物，高收率地合成了咔唑类化合物。
此外，研究团队结合理论计算与电化学测量，对反应机理进行了详细解析。结果表明，卤键复合物具有稳定性，证实了相互作用的真实存在。此外还发现，复合物的形成使得体系能够利用弱碱，以能量上极为有利的方式驱动质子与电子的协同迁移。
本次研究确立的“具备电化学可切换相互作用的介体设计”，有望通过降低电化学过程的过电压、抑制电极劣化，为实现更节能、更可持续的分子转化作出贡献。今后，研究团队将继续推进能够精确控制卤键强度与电子状态的分子设计，以进一步提升反应速度与选择性，并扩大底物的适用范围。此外，应用范围也将不局限于碳－氮键形成，研究团队正考虑将其拓展至碳－碳键形成等其他重要成键反应。同时，研究团队还将结合理论计算与电化学测量，推进反应机理的普适性研究，从而系统化介体设计指南，并将其拓展至医药品与功能性材料的合成流程中。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of the American Chemical Society
论文：Redox-Switchable Halogen Bonding in Haloanthracene Mediators Enables Efficient Electrocatalytic C-N Coupling
DOI：10.1021/jacs.5c18175
