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对于广大有机化学工作者而言，官能团再熟悉不过了，它是决定有机化合物化学性质的原子或原子团（如羟基、羰基、卤素、疏基、氰基等）。今天，笔者要给大家介绍一个“另类”的官能团——电极。电极不是用于电化学的吗？怎么就成了官能团呢？这还得从1937年说起，Hammett当时首次提出了Hammett方程，描述了反应物官能团如何影响反应速率，这一工作也引出了化学中的一个重要概念——官能团对分子电子性质的诱导效应。这一概念在化学中有着极为广泛的应用，化学家可以通过修饰不同的官能团来根据需要加快或减慢反应，但实际上这种调节分子性质的方法既不高效也不方便。这是因为每个官能团只能产生其特有的诱导效应，无法连续调控分子的性质，因此必须制备各种各样官能化的衍生物，这不仅费时费力，还存在一定的局限性，因为并非所有的分子都简单易合成。
近期，韩国科学技术院（KAIST）的Mu-Hyun Baik和Sang Woo Han等研究者提出了一个有趣的设想——能否将反应物以共价键的形式固定在电极上，让电极变成一种“另类”的官能团，通过改变施加电压来调节其化学性质（图1），比如施加负电压，电极就可以充当供电子基团，而施加正电压则充当吸电子基团。如果可行，因为施加电压可以连续调节，那么由此产生的“电诱导效应（electro-inductive effect）”也就可以连续调控。实验中，他们将带巯基的分子固定在金电极上，成功通过施加不同的电压来调节固定分子的性质。利用该方法，他们也成功调解了碱催化的苯甲酸酯的皂化反应和Suzuki-Miyaura交叉偶联反应的速率。此外，通过改变施加电压的电性，可明显地加速两步法羧酸酰胺化反应的进行。相关成果发表在Science 上。
图1. 利用电诱导效应控制化学反应的设计原理。图片来源：Science
为了验证该方法的可行性，作者探究了电诱导效应对碱催化的苯甲酸酯皂化反应的速率影响。鉴于苯甲酸甲酯和苯甲酸乙酯皂化反应的效果较差，因此作者选择空间位阻较大的4-巯基苯甲酸叔丁酯（TBMB），并通过表面增强拉曼散射光谱（SERS）来监测皂化反应的进程。如果电诱导效应很强，那么在施加正电压时就会加速TBMB的皂化反应以生成4-巯基苯甲酸根；而施加负电压时反应则进行得很慢（图2A）。如图2D所示，在反应未开始时，C=O键伸缩振动[v(C=O)=1706 cm-1]峰强度与芳环C-C键振动[v(C-C)ring（1）=~1070 cm-1 ]峰强度的比值（Iv(C=O)/Iv(C-C)ring(1)）为0.183；当未施加电压（即OCP）时，[v(C=O)]峰强度大大减小（图2C），峰强度比值为0.072，这表明电极表面上的酯已经被大量消耗；当在 0.25 V下反应22.5 h时，[v(C=O)]峰强度急剧降低，这表明该电压能够显著地提高皂化反应的速率；相比之下，在-0.25 V下进行的反应则几乎被完全抑制，此时的峰强度比值为0.181，与未开始反应的比值（0.183）十分接近。这些结果表明皂化反应进行的程度可以通过施加电压来控制。
图2. 碱催化的酯水解反应。图片来源：Science
随后，作者选择Pd催化的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应来测试催化反应中的电诱导效应（图3A），并通过两个芳环C-C键振动峰强度的比值（Iv(C-C)ring（3）/Iv(C-C)ring（1））以及C-Br键伸缩振动[v(C-Br)=1068 cm-1]峰强度与芳环C-C键振动[v(C-C)ring（1）=1079 cm-1]峰强度的比值（Iv(C=O)/Iv(C-C)ring（1））来衡量反应速率。如图3D所示，当未施加电压（即OCP）时，反应的速率较慢；当施加负电压（-0.15 V）时，反应速率明显地提高；相比之下，施加正电压（ 0.15V和 0.3V）则抑制了反应的进行。此外，作者还每隔30 min对反应的SERS光谱进行测量，并监测了3 h内两个芳环C-C键振动峰强度的比值（图3E）。正如预期的那样，产物峰在-0.15 V下增长最快，并在~90 min后达到饱和状态，而在其他电压下，反应3 h后仍未完成。这些结果表明改变施加电压会显著地影响Suzuki-Miyaura交叉偶联反应的速率。具体而言，施加负电压，电极相当于供电子基团，可以提高反应速率，这一结果与传统的Hammett研究结果一致。
图3. 钯催化的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应。图片来源：Science
最后，作者探究了两步法羧酸酰胺化反应（图4）。首先，羧酸（如苯甲酸）进攻1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺（EDC）上的碳二亚胺碳，得到O-酰基脲。如果增强羧酸的氧亲核性，就能加快第一步反应的进行。其次，O-酰基脲中的羰基碳可作为亲电试剂与胺反应，得到所需的酰胺化产物。类似地，如果增强羰基碳的亲电性，就会加快第二步反应的进行。事实上，当未施加电压（即OCP）时，反应不会进行（图4B）；当施加正电压（ 0.40 V）1 h后，反应仍不会进行；而施加负电压（-0.70 V）反应1 h后，SERS光谱在1772 cm-1处出现了一个新的峰（图4C），这归因于O-酰基脲的羰基伸缩振动。当施加负电压（-0.70 V）反应40 min后，切换至未施加电压（即OCP）继续反应20 min，发现在2228 cm-1处有一个微小的峰（即C≡N键的伸缩振动），这暗示着两步法羧酸酰胺化反应已发生。接着，施加负电压（-0.70 V）反应40 min，然后切换至正电压（ 0.40 V）继续反应20 min，结果显示2228 cm-1处的峰强度显著增加（图4D），这表明正电压加速了第二步反应的进行。最后，作者测试了脉冲模式，即施加负电压（-0.70 V）反应3 min，然后施加正电压（ 0.40 V）反应3 min，并在1 h内重复10次，结果显示羰基峰和氰基峰均清晰可见（图4D）。此外，图4E显示了不同电压下两个信号的相对强度，这表明施加负电压促进了第一步反应的进行，施加正电压则促进了第二步反应的进行，从而证实了该方法能够对分子的电性进行连续的调节。
图4. 碳二亚胺介导的酰胺化反应。图片来源：Science
总结
本文通过将反应物键合在电极上，使电极成为一种具有可调诱导效应的官能团，从而改变了分子的化学反应性，这与传统官能团的诱导效应极为相似。最重要的是，该方法还能够对分子的电性进行连续的调节。利用这种“电诱导效应”，作者实现了碱催化的苯甲酸酯的皂化反应、Suzuki-Miyaura交叉偶联反应以及两步法羧酸酰胺化反应的速率调节。然而，不足之处在于目标分子要通过巯基连接到金电极的表面上，这可能会限制这一策略的适用范围及大规模应用前景。
Electro-inductive effect: Electrodes as functional groups with tunable electronic properties
Joon Heo, Hojin Ahn, Joonghee Won, Jin Gyeong Son, Hyun Kyong Shon, Tae Geol Lee, Sang Woo Han, Mu-Hyun Baik
Science, 2020, 370, 214–219, DOI: 10.1126/science.abb6375
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