Shannon S. Stahl，美国威斯康星大学麦迪逊分校化学系教授，Steenbock Professor of Chemical Sciences，1992年本科毕业于伊利诺伊大学香槟分校（UIUC），1997年博士毕业于美国加州理工大学（导师John E. Bercaw院士），毕业后以博士后身份于麻省理工大学师从著名生物无机化学家Stephen J. Lippard院士。Shannon Stahl教授的研究兴趣在于有机金属化学，有机及无机化学的合成及机理研究。Shannon Stahl教授主要的研究方向包括有氧氧化反应，用于药物合成的C-H氧化方法，电化学有机合成，生物质材料的升级转化，以及用于能量转换的电催化和电合成方法。Shannon Stahl教授目前是美国国家科学院院士，美国科学与艺术学院院士（American Academy of Arts&Sciences member），并且获得了Mitsui Chemicals Catalysis Science Award、Presidential Green Chemistry Challenge Award、ACS Arthur C. Cope Scholar Award、ACS Catalysis Lectureship Award for the Advancement of Catalytic Science、Kellett Mid-Career Award (UW-Madison)、Alfred P. Sloan Research Fellowship和NSF CAREER Award等多项殊荣。Zn和Mn是Ni催化交叉亲电偶联（XEC）反应中广泛使用的还原剂，但是人们对于Zn和Mn在有机溶剂中的还原电势并不清楚。有鉴于此，威斯康星大学麦迪逊分校Shannon S. Stahl教授等报道通过开路电压测试方法测试Zn和Mn的还原电势，实现了在有机添加剂存在情况下，在不同有机溶剂中测试Zn和Mn的还原电势。通过对一些Ni催化的反应进行测试，说明Zn和Mn的电极电势对于Ni催化反应的影响，并且发现反应能够对一到两个还原剂的优势。研究Ni催化N-烷基-2,4,6-三芳基吡啶（Katritzky盐）和芳基卤化物之间的亲电交叉偶联反应，在对应于Zn和Mn的还原电势进行电化学测试，并且比较使用Zn或Mn的不同电化学反应情况，优化电化学电势得到最大的产量。这些研究结果说明还原电极电势对于Ni催化XEC亲电交叉偶联反应的重要作用。
Zn和Mn的电化学电势
图2. Mn或Zn的热力学势（Formal thermodynamic potentials）
分别在不通电流或者外部电压的情况测试开路电压（OCP）。随后通过在各种Ni催化反应的不同条件下，测试Zn和Mn相比于Ag/AgNO3参比电极，开始电催化Ni亲电交叉偶联反应的研究。搭建了三电极体系能够明确表征Fc/Fc+氧化还原电势，并且分别对8个Ni催化交叉偶联反应常用的溶剂分别测试（DMF、DMA、NMP、DMPU（N,N′-二甲基烯脲）、DMI（1,3-二甲基-2-咪唑啉酮）、DMSO、MeCN、THF），研究溶剂对于Zn和Mn的还原电极电位的影响。测试的时候向溶液中加入Zn2+或Mn2+确保能够发生氧化还原反应（M⇌Mn2++2e-）。将不同溶剂中测试的开路电压测试转变为对Fc/Fc+(E0′)热力学电势。此外，同样测试[Ni(bpy)3]Cl2在不同溶剂中的氧化还原电势。测试结果显示Zn或Mn在酰胺或脲溶剂中的变化微弱（DMF、DMA、NMP、DMPU、DMI），Zn的变化区间≤50 mV，Mn的变化区间≤80 mV。Mn在DMSO或者THF溶剂中的电极电势与酰胺溶剂类似，Zn在DMSO溶剂中的电极电势偏负，在THF溶剂中的电极电势相比于酰胺溶剂偏正。 在MeCN溶剂中，Zn和Mn的电极电势发生显著的改变，比DMSO或酰胺溶剂中的电势提高260-370mV。Zn和Mn的氧化还原电势高于[Ni(bpy)3]Cl2，而且Zn产生的电极电势差异（≤270mV）比Mn（≤90mV）产生的电极电势差异更加明显。MeCN溶剂中的独特电极电势变化对于Ni催化交叉偶联反应具有影响。Zn和Mn在MeCN溶剂中的还原电势比较高的现象能够解释为什么Ni的亲电交叉偶联反应很少在MeCN溶剂中发生。比如相关报道中，苄基氯和碘苯的交叉偶联反应能够使用Zn还原剂在DMA溶剂中得到82%的二苯甲烷，但是在MeCN溶剂中的产物产率仅有15%。作者认为在MeCN溶剂中交叉偶联反应困难的原因是MeCN溶剂中Zn还原反应难以发生，并且在恒定电势条件下分别测试DMA和MeCN溶剂中的反应情况验证了这个观点。这个研究结果说明溶剂影响金属的还原电势对于Ni催化交叉偶联反应结果的重要影响作用。
如何在Ni催化XEC反应中选择Zn或Mn还原剂
图3.测试Zn和Mn的氧化还原电势与Ni催化XEC的关系在Ni催化XEC反应中对Zn和Mn还原剂的选择是会改变的。通过氧化还原电势的测试，能够解释还原剂选择性发生改变的原因。比如在烯基乙酸酯和烷基溴的交叉偶联反应需要使用Zn作为还原剂，而不是Mn。该反应的机理为NiII还原为NiI，随后烯基乙酸酯配位发生氧化加成，生成烯基-NiIII。随后发生单电子还原反应生成烯基-NiII，并且与烷基自由基反应生成目标产物。苄基醇和芳基三氟甲磺酸盐之间的交叉偶联反应，需要使用草酸二甲酯将醇转化，随后通过Mn作为还原剂进行Ni催化交叉偶联。该反应过程首先NiII还原为Ni0，随后Ni0与苄基草酸盐加成，生成苄基-NiII物种，随后单电子还原生成苄基-NiI，随后对芳基三氟甲磺酸酯氧化加成生成目标产物。通过电化学循环伏安法（CV）测试DMA和DMF溶剂中Ni催化剂的变化情况。分别在体系含有烯基乙酸酯或苄基草酸酯存在的情况进行测试。发现当加入Zn还原剂，Zn能够将NiII还原为NiI，但是不会生成Ni0。但是，Mn的还原电位与NiI/0非常接近，能够生成Ni0，因此Mn除了能够生成目标产物，也能够生成烷基-烷基偶联/烯基-烯基偶联的自偶联副反应产物。在苄基醇和芳基三氟甲磺酸酯的偶联反应中进行类似测试，发现Mn能够作为合适的还原剂，这是因为Mn在这个反应中需要生成低电位的Ni物种匹配（这个现象与烯基乙酸酯或苄基草酸酯的反应情况不同）。这些研究结果说明金属还原剂在不同有机试剂中的氧化还原电势是如何影响Ni催化交叉偶联反应。 Zn和Mn在许多还原性交叉偶联反应中是非常有效的还原剂，但是Zn和Mn的氧化还原电势对于每个反应并不都是最合适的。但是电化学电势能够在比较宽的电化学窗口调节。这项文献的开路电压测试实验能够直接在实验中比较Ni催化交叉偶联反应，并且与其他电化学反应进行比较。由于N-烷基-2,4,6-三苯基吡啶试剂（Katritzky盐）在Ni催化交叉偶联反应中，随着加入不同氧化还原电位的均相有机还原剂，表现了变化的反应性能。作者选择含有不同烷基取代基的两个Katritzky盐，6个不同的芳基溴化物，进行Ni催化交叉偶联反应。每个反应分别测试了4个反应条件：使用Zn粉末或Mn粉末作为还原剂，在热化学反应条件测试；分别在对应于Zn(-1.31V)或Mn(-1.55V)的电势下，进行电化学反应条件测试。之后，在优化的电极电势测试每个反应的情况。比较了热催化反应和电化学反应的区别。1a反应物在对应于Zn的还原电势（-1.31V）的热催化偶联反应结果72%的产率，电化学反应生成62%的产率。当使用Mn作为还原剂，收率显著降低，热催化和电化学还原（-1.55V）的收率分别为27%和0%。需要注意的是，对电化学和热化学进行比较有可能受到许多因素的影响，包括溶解物质的传质区别（分散的金属颗粒vs固体电极），氧化还原活性表面积的区别（金属粉末vs金属电极），这些都有可能影响反应的产物和产率。此外，反应物的组成随着反应的发生而改变，并且产生的金属盐能够改变氧化还原反应的平衡。 虽然受到这些复杂因素的影响，但是实验结果显示热催化反应和电化学还原反应得到非常好的定量结果。实验结果显示，在热化学反应条件下，2a-e基本上没有发现任何产物生成，但是在电化学条件下能够得到适中或者较高的产率。进一步分析的结果显示溶解的ZnII能够将芳基溴转化为脱卤的副反应产物。分别在不同的电势下测试每个反应。结果显示在非Zn或Mn的还原电势下，电化学反应都得到更高的产率。其中，对于使用1°katritzky盐（1）作为反应物，只有1a在高于EZn的电化学反应产生最好的反应，有四个反应（1b, 1c, 1e, 1f）最好的产率都处于EZn和EMn的电势区间内。使用2° Katritzky盐（2）作为反应物，有三个反应产物（2a, 2e, 2f）比高于EZn的电势内得到最高的产物产率，另外三个反应产物（2b, 2c, 2d）在EZn和EMn之间得到最好的产物产率。这个研究结果对于Ni催化XEC反应有着非常重要的意义。比如这些反应的大规模化需要使用化学还原剂，这面临着克服金属粉末试剂或者空气敏感有机反应物的难题。根据研究的结果说明化学试剂的氧化还原限制了反应性能的优化。这些困难有可能通过电化学提供电子的方式解决。 图4.烷基Katritzky盐与芳基溴的XEC反应Su, ZM., Deng, R. & Stahl, S.S. Zinc and manganese redox potentials in organic solvents and their influence on nickel-catalysed cross-electrophile coupling. Nat. Chem. (2024)DOI: 10.1038/s41557-024-01627-5https://www.nature.com/articles/s41557-024-01627-5
