朱翠菊课题组 Green Chemistry：2-噁唑烷酮的电化学还原发散性水解与加氢反应

华中师范大学朱翠菊课题组

论文相关信息：

1.第一作者：Ze-Zhao Huang（黄泽钊）, Wen-Xi Duan（段闻喜）

2.通信作者：Cuiju Zhu（朱翠菊，华中师范大学），Jin-Yu He（何劲宇，三峡大学）

3.论文DOI: 10.1039/d6gc01195k

背景介绍

2-噁唑烷酮是一类结构独特的五元杂环化合物，长期以来作为Evans手性辅助剂在不对称合成中发挥着不可替代的作用。此外，该骨架也广泛存在于多种药物分子中，具有重要的药理活性。一直以来，围绕2-噁唑烷酮合成已建立较为成熟的合成体系（例如余达刚老师课题组发展的利用CO₂作为C1合成子方法）。相比之下，如何高效、可持续地实现2-噁唑烷酮的开环转化，合成高附加值的胺类和氨基醇类化合物，已然成为有机合成领域的热点。

然而，传统的开环策略往往依赖贵金属催化剂（如Pd、Ru）与高压氢气，或使用化学计量的强还原剂（如NaBH₄）或强碱（如NaOH）。这些方法不仅成本高昂，而且存在安全隐患，产生大量废弃物，不符合绿色化学的发展理念。因此，开发一种温和、可控、环境友好的开环新方法显得尤为迫切。

本文亮点

华中师范大学朱翠菊/三峡大学何劲宇发展了一种电还原驱动的发散性开环策略，使2-噁唑烷酮能够在一锅体系中通过简单调控水含量，实现高化学选择性的C–N键裂解，分别生成二级胺以及手性氨基醇。该策略利用电化学体系中阴极还原过程，避免了贵金属催化剂、高压氢气以及化学计量还原剂（如NaBH₄）的使用，体现出绿色合成和原子经济性方面的优势。

1.作者以手性2-噁唑烷酮为模型底物进行优化，发现以石墨毡为阴阳极、nBu₄NClO₄为电解质、DMF为溶剂，在10 mA恒流电解3 h下，氢化产物收率达76%；而在相同体系中加入20.0 equiv H₂O并电解3.5 h，水解产物收率高达92%，且手性完全保持（>99% ee）。无隔膜池或不通电时反应不能发生，说明分隔池和持续电子转移是反应成功的关键。底物适用性研究表明，该体系兼容多种N-芳基、稠环以及C4/C5取代的2-噁唑烷酮；水解反应同样适用于上述底物以及苯并噁唑烷酮。

2.作者进一步将该方法用于克级规模合成，证明其放大潜力。该电化学开环策略避免了传统方法中贵金属催化的高压氢气还原或过量NaBH₄/NaOH的使用，显著提升了操作安全性和合成效率。此外，质子交换膜（PEM）分隔下的阳极反应液可重复使用至少5次，氢化产率仅从76%略降至73%，水解产率从92%降至89%，展示了优异的可持续性和低废弃物排放特征。

3.自由基捕获实验、氘代实验、同位素标记实验、开关电解实验以及手性保持实验共同支持该反应存在两条截然不同的机理路径。氢化路径中，产物为外消旋体，表明该反应经历了单电子转移（SET）生成的碳自由基中间体过程；H₂¹⁸O标记实验排除了水解路径中水直接亲核进攻的可能，而D₂O实验则观察到氘代产物，表明质子参与了关键步骤。开关电解实验证实反应依赖连续电子还原过程，而非电还原只是作为启动过程。基于以上证据，作者提出：氢化路径经由阴极还原生成自由基阴离子，随后C–O键断裂产生碳自由基，再经第二次还原和质子化得到二级胺；水解路径则是在水存在下，阴极还原生成适量碱，促进亲核开环，因不涉及立体中心断裂从而使得手性得以保持。该工作为电化学发散性转化提供了新范式，即仅通过调节水含量即可精准切换反应选择性。

图文解析

Figure 1. Importance of 2-oxazolidinones and transformations.

Table 1. Optimization of the reaction conditions.^[a]

[a] Hydrogenation reaction conditions: divided cell, anode (GF), cathode (GF), cathode: 1a (0.3 mmol), nBu₄NClO₄ (0.15 M) in DMF (4.0 mL), anode: nBu₄NClO₄ (0.15 M) in DMF (4.0 mL), CCE = 10 mA, room temperature, t = 3 h. Yields of isolated product. [b] Hydrolysis reaction conditions: divided cell, anode (GF), cathode (GF), cathode: 1a (0.3 mmol), H₂O (20.0 equiv), nBu₄NClO₄ (0.15 M) in DMF (4.0 mL), Anode: H₂O (20.0 equiv), nBu₄NClO₄ (0.15 M) in DMF (4.0 mL), CCE = 10 mA, room temperature, t = 3.5 h. Yields of isolated products. DMA = N, N-dimethylacetamide, DMF = N, N-dimethylformamide; GF = graphite felt; CC = carbon cloth; CCE = constant current electrolysis.

Scheme 1. Substrates scope of electroreductive hydrogenation. Reaction conditions: cathode: 1 (0.3 mmol), nBu₄NClO₄ (0.15 M) in DMF (4.0 mL); anode: nBu₄NClO₄ (0.15 M) in DMF (4.0 mL), graphite felt (GF) as anode and cathode in an H-type divided cell, room temperature, 2-3 h (2.4-3.8 F/mol), air atmosphere. Yields of isolated products.

Scheme 2. Substrates scope of electroreductive hydrolysis. Reaction conditions: cathode: 1 (0.3 mmol), H₂O (20.0 equiv), nBu₄NClO₄(0.15 M) in DMF (4.0 mL); anode: H₂O (20.0 equiv), nBu₄NClO₄ (0.15 M) in DMF (4.0 mL), graphite felt (GF) as anode and cathode in an H-type divided cell, room temperature, 3.0 h (2.4-3.8 F/mol), air atmosphere. Yields of isolated products.

Scheme 3. Mechanism studies

Scheme 4. Proposed mechanism for electroreductive hydrogenation and hydrolysis

文献信息

Electroreductive Divergent Hydrolysis and Hydrogenation of 2-Oxazolidinones.
Green Chem. 2026.

DOI: 10.1039/d6gc01195k

https://doi.org/10.1039/D6GC01195K