利用天然手性离子液体在无线电化学微反应器中实现可调的立体选择性

《Green Chemistry》：Tunable stereoselectivity in a wireless electrochemical microreactor using natural chiral ionic liquids

本研究开发了一种基于天然手性离子液体（NCIL）的无线电化学微反应器，实现了对丙酮基苯的高选择 (>90% ee) 不对称还原。通过调节外部电场，可动态调控立体选择性，同时避免传统催化剂和有害溶剂的使用，符合绿色化学原则。实验表明，NCIL的结构刚性显著影响立体选择性，薄荷烯基NCIL展现出更优的催化性能。研究还揭示了电场强度对产物构型比例的调控作用，为可持续不对称合成提供了新范式。

　　这项研究提出了一种全新的不对称合成方法，利用天然手性离子液体（NCILs）作为无线电化学微反应器，实现了对单一手性产物的高效、选择性合成。这种方法无需催化剂，而是通过外部电场的调控来实现立体选择性的动态控制，为可持续化学提供了新的思路和工具。NCILs 是一种具有独特物理化学性质的溶剂体系，因其低挥发性、高热稳定性以及可调的极性而受到广泛关注。在不对称合成领域，它们作为手性环境，能够影响反应物的排列方式，从而引导产物形成特定的手性结构。

在该研究中，科学家们选择了一种特定的 NCIL，其来源于天然存在的萜烯类化合物——香茅醇和异香茅醇。这两种化合物在天然产物中广泛存在，且具有良好的生物降解性和低毒性，符合绿色化学的基本原则。实验中，研究人员将这些 NCIL 与一种微型化、无线驱动的双极电化学系统结合，通过微型聚吡咯（Ppy）管作为双极电极（BPE），实现了对丙二醇酮（AP）的不对称还原，生成单一的手性产物（R-或S-苯乙醇，PE）。该系统能够在不使用传统催化剂的情况下，实现高达90%以上的对映选择性（ee），并展现出对反应条件的高度可调性。

这种无线电化学微反应器的工作原理基于电机械泵送效应。当电场被施加时，Ppy管会因电荷分布的变化而发生收缩与膨胀，从而产生单向流动。这一过程通过伯努利原理驱动，使得反应物能够在微反应器中长时间保持与电极的接触，从而提高反应效率。此外，由于NCILs本身具有离子特性，它们在电场作用下的响应更加可控，避免了传统中性溶剂中可能因压力驱动而导致的快速流动和反应物损失问题。

实验结果表明，使用香茅醇基NCIL时，反应主要生成R-PE，而使用异香茅醇基NCIL时，虽然同样以R-PE为主，但反应效率更高，转化率更快。这一现象与电化学实验中观察到的对映选择性差异密切相关。进一步的计算化学分析表明，异香茅醇基NCIL的结构更为刚性，能够形成一个稳定的、定向的手性口袋，使得反应物在特定的立体构型下进行还原。相比之下，香茅醇的结构较为灵活，导致其对立体选择性的控制能力稍弱。这些分子层面的分析为理解NCILs在不对称合成中的作用提供了重要的理论支持。

值得注意的是，该研究还强调了对反应条件的动态调控能力。通过改变电场强度，研究人员能够调节产物的对映选择性。例如，在更高的电场条件下，系统不仅能够生成R-PE，还能逐渐产生S-PE，从而实现对产物比例的精确控制。这种能力使得该方法在不对称合成中具有更高的灵活性和适应性，可以应用于不同的反应体系和目标产物。此外，这种调控方式避免了传统化学修饰剂的使用，减少了对环境的潜在影响。

在环境友好性方面，该方法展现出显著的优势。首先，它不依赖贵金属催化剂，避免了对环境和资源的高需求。其次，实验过程中使用的溶剂均为环保型，如天然来源的NCILs，而非传统的挥发性有机溶剂。这不仅降低了反应过程中产生的废物量，也减少了对空气和水体的污染风险。此外，反应条件温和，主要在常温常压下进行，进一步提升了其安全性和可持续性。尽管目前的工艺仍存在一定的改进空间，如高Process Mass Intensity（PMI）值表明在实验室规模下，溶剂的使用仍然是主要的环境负担，但这一问题为未来优化提供了明确的方向。

研究团队还对反应的可重复性和稳定性进行了初步评估。实验表明，NCILs和Ppy微反应器在多次使用后仍能保持较高的活性，这为未来在工业或大规模生产中的应用奠定了基础。然而，为了确保系统的长期可靠性，还需要进一步研究其在连续操作和重复使用过程中的耐久性。此外，开发更高效的溶剂回收和纯化技术，是将该方法推向实际应用的关键步骤之一。

在对不同底物的扩展研究中，科学家们测试了多种丙二醇酮类化合物，包括具有不同电子效应和立体效应的分子。实验结果表明，该方法在多种底物上均表现出良好的适用性，尤其适用于药物合成中常见的芳香族和杂芳香族酮类化合物。例如，对于电子缺电子的4'-氯代丙二醇酮，反应速率较快，转化率接近100%，而电子供体的4'-甲氧基丙二醇酮则表现出较慢的反应速度，但依然保持了较高的对映选择性。这种对底物电子效应的可预测响应，使得该方法在合成化学中具有较高的灵活性和实用性。

从整体来看，这项研究不仅在不对称合成领域取得了突破，也为绿色化学的发展提供了新的工具和思路。通过结合电化学技术与天然手性离子液体，研究人员开发出了一种无需催化剂、反应条件温和、产物选择性高且环境友好的合成方法。这种策略有望在制药、材料科学和环境化学等多个领域中得到应用。未来的研究方向包括优化反应参数以提高转化率，开发更高效的溶剂回收系统，以及探索该方法在更广泛反应体系中的适用性。

此外，该方法的无线特性也为微型化和自动化反应装置的设计提供了可能性。传统化学反应往往需要复杂的设备和人工操作，而无线电化学微反应器则通过外部电场的调控实现了反应的自主进行，减少了对额外机械或化学输入的依赖。这种设计不仅简化了反应流程，还提高了反应的可控性和可重复性，为实现高通量合成和精准反应控制提供了新的技术路径。

在实际应用中，该方法的潜力远不止于实验室阶段。随着对反应条件和设备性能的进一步优化，无线电化学微反应器有望成为未来化学合成的重要工具。特别是在药物研发领域，手性产物的高效合成对于开发具有特定生物活性的药物至关重要。因此，该方法不仅具有科学意义，还具备重要的应用价值。

综上所述，这项研究通过将天然手性离子液体与无线电化学技术相结合，成功构建了一种新型的不对称合成平台。该平台在反应效率、环境友好性和操作灵活性方面均表现出显著优势，为可持续化学的发展提供了新的方向。未来的工作将继续围绕如何提升反应的转化率和可重复性展开，同时探索该方法在更复杂反应体系中的应用潜力，以期实现从实验室到工业生产的转化。