Mediator-Enabled Electrocatalysis with Ligandless Copper for Anaerobic Chan–Lam Coupling Reactions

化学 电合成 催化作用 氧化还原 组合化学 芳基 电化学 偶联反应 基质(水族馆) 氧化剂 电催化剂 无机化学 有机化学 电极 海洋学 地质学 物理化学 烷基
作者
Benjamin R. Walker,Shuhei Manabe,Andrew T. Brusoe,Christo S. Sevov
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (16): 6257-6265 被引量:75
标识
DOI:10.1021/jacs.1c02103
摘要

Simple copper salts serve as catalysts to effect C–X bond-forming reactions in some of the most utilized transformations in synthesis, including the oxidative coupling of aryl boronic acids and amines. However, these Chan–Lam coupling reactions have historically relied on chemical oxidants that limit their applicability beyond small-scale synthesis. Despite the success of replacing strong chemical oxidants with electrochemistry for a variety of metal-catalyzed processes, electrooxidative reactions with ligandless copper catalysts are plagued by slow electron-transfer kinetics, irreversible copper plating, and competitive substrate oxidation. Herein, we report the implementation of substoichiometric quantities of redox mediators to address limitations to Cu-catalyzed electrosynthesis. Mechanistic studies reveal that mediators serve multiple roles by (i) rapidly oxidizing low-valent Cu intermediates, (ii) stripping Cu metal from the cathode to regenerate the catalyst and reveal the active Pt surface for proton reduction, and (iii) providing anodic overcharge protection to prevent substrate oxidation. This strategy is applied to Chan–Lam coupling of aryl-, heteroaryl-, and alkylamines with arylboronic acids in the absence of chemical oxidants. Couplings under these electrochemical conditions occur with higher yields and shorter reaction times than conventional reactions in air and provide complementary substrate reactivity.
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