铝盐促进阴极串联烷基化/脱芳构化反应实现杂环化合物的高效脱氧功能化

针对生物质利用中高氧含量导致的能量密度低和储存稳定性差的问题，研究人员开发了一种过渡金属自由、水氧兼容的阴极串联烷基化/脱芳构化策略。该研究通过铝盐促进的羰基脱氧过程，实现了喹啉衍生物与芳醛/酮的一锅法转化，DFT计算证实反应可通过SCS（自旋中心转移）和直接脱氧两条路径进行，为生物质能源利用和药物后期修饰提供了新思路。

　　

在生物质能源利用领域，高含氧有机化合物如酮类和醛类的存在始终是制约其替代化石燃料的关键瓶颈。这些含氧基团不仅降低能量密度，还影响储存稳定性，使得生物质的直接利用面临重大挑战。传统脱氧策略往往需要预制备特定中间体或依赖过渡金属催化剂，存在步骤繁琐、条件苛刻等问题。如何实现温和条件下羰基化合物的直接脱氧功能化，成为提升生物质利用效率的核心科学问题。

五邑大学的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，开发出铝盐促进的阴极串联烷基化/脱芳构化新策略。该研究通过电化学还原实现喹啉衍生物与芳醛/酮的一锅法转化，成功构建了四氢喹啉骨架。理论计算揭示反应存在铝促进的自旋中心转移(SCS)和直接脱氧双路径，其中铝盐对醇中间体的原位活化能显著降低过渡态能量（SCS路径ΔG^?仅1.04 kcal/mol）。该方法无需过渡金属、兼容水氧环境，为生物质升级和药物修饰提供了新工具。

关键技术包括：1）恒电流电解（j=7.5 mA/cm²）结合铝/锡电极体系；2）四丁基溴化铵电解质促进的Hofmann消除过程；3）氘标记实验确定水为氢源；4）循环伏安法（CV）验证自由基路径；5）DFT计算（B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVPP水平）分析反应能垒。

【结果】

底物拓展：体系兼容28类喹啉衍生物和21种芳醛/酮，包括含吗啉基、呋喃环等敏感基团的底物，放大实验（5mmol）仍保持72%收率。四氢萘酮和茚酮类底物表现优异（39-55，收率65-92%），生物活性分子L-薄荷醇衍生物也能高效转化（26，70%）。

机理验证：1）自由基捕获实验证实铝盐存在下喹啉可形成自由基中间体；2）¹H NMR显示AlBr₃优先与喹啉配位；3）GC-MS检测到2-烷基喹啉（3a）和叔醇（27b）中间体；4）氘代实验表明氢源来自水和铵盐。

能垒分析：DFT计算显示SCS路径（TS-A1，ΔG^?=1.04 kcal/mol）比直接脱氧路径（TS-B3，ΔG^?=16.87 kcal/mol）更有利，铝盐使脱氧活化能降低80%以上。

【结论】该研究开创性地将SCS机制应用于电化学合成，通过铝盐对醇中间体的原位活化，实现了温和条件下的C-O键断裂。提出的双路径机制为理解阴极脱氧过程提供新视角，开发的过渡金属自由策略对绿色化学发展具有启示意义。该方法在生物质升级、药物修饰等领域展现出广阔应用前景，特别是其水氧兼容性为工业化应用奠定基础。