對於廣大有機化學工作者而言，官能團再熟悉不過了，它是決定有機化合物化學性質的原子或原子團（如羥基、羰基、鹵素、疏基、氰基等）。今天，筆者要給大家介紹一個“另類”的官能團——電極。電極不是用於電化學的嗎？怎麼就成了官能團呢？這還得從1937年說起，Hammett當時首次提出了Hammett方程，描述了反應物官能團如何影響反應速率，這一工作也引出了化學中的一個重要概念——官能團對分子電子性質的誘導效應。這一概念在化學中有著極為廣泛的應用，化學家可以透過修飾不同的官能團來根據需要加快或減慢反應，但實際上這種調節分子性質的方法既不高效也不方便。這是因為每個官能團只能產生其特有的誘導效應，無法連續調控分子的性質，因此必須製備各種各樣官能化的衍生物，這不僅費時費力，還存在一定的侷限性，因為並非所有的分子都簡單易合成。

近期，韓國科學技術院（KAIST）的Mu-Hyun Baik和Sang Woo Han等研究者提出了一個有趣的設想——能否將反應物以共價鍵的形式固定在電極上，讓電極變成一種“另類”的官能團，透過改變施加電壓來調節其化學性質（圖1），比如施加負電壓，電極就可以充當供電子基團，而施加正電壓則充當吸電子基團。如果可行，因為施加電壓可以連續調節，那麼由此產生的“電誘導效應（electro-inductive effect）”也就可以連續調控。實驗中，他們將帶巰基的分子固定在金電極上，成功透過施加不同的電壓來調節固定分子的性質。利用該方法，他們也成功調解了鹼催化的苯甲酸酯的皂化反應和Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應的速率。此外，透過改變施加電壓的電性，可明顯地加速兩步法羧酸醯胺化反應的進行。相關成果發表在Science 上。

為了驗證該方法的可行性，作者探究了電誘導效應對鹼催化的苯甲酸酯皂化反應的速率影響。鑑於苯甲酸甲酯和苯甲酸乙酯皂化反應的效果較差，因此作者選擇空間位阻較大的4-巰基苯甲酸叔丁酯（TBMB），並透過表面增強拉曼散射光譜（SERS）來監測皂化反應的程序。如果電誘導效應很強，那麼在施加正電壓時就會加速TBMB的皂化反應以生成4-巰基苯甲酸根；而施加負電壓時反應則進行得很慢（圖2A）。如圖2D所示，在反應未開始時，C=O鍵伸縮振動[v(C=O)=1706 cm-1]峰強度與芳環C-C鍵振動[v(C-C)ring（1）=~1070 cm-1 ]峰強度的比值（Iv(C=O)/Iv(C-C)ring(1)）為0.183；當未施加電壓（即OCP）時，[v(C=O)]峰強度大大減小（圖2C），峰強度比值為0.072，這表明電極表面上的酯已經被大量消耗；當在+0.25 V下反應22.5 h時，[v(C=O)]峰強度急劇降低，這表明該電壓能夠顯著地提高皂化反應的速率；相比之下，在-0.25 V下進行的反應則幾乎被完全抑制，此時的峰強度比值為0.181，與未開始反應的比值（0.183）十分接近。這些結果表明皂化反應進行的程度可以透過施加電壓來控制。

隨後，作者選擇Pd催化的Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應來測試催化反應中的電誘導效應（圖3A），並透過兩個芳環C-C鍵振動峰強度的比值（Iv(C-C)ring（3）/Iv(C-C)ring（1））以及C-Br鍵伸縮振動[v(C-Br)=1068 cm-1]峰強度與芳環C-C鍵振動[v(C-C)ring（1）=1079 cm-1]峰強度的比值（Iv(C=O)/Iv(C-C)ring（1））來衡量反應速率。如圖3D所示，當未施加電壓（即OCP）時，反應的速率較慢；當施加負電壓（-0.15 V）時，反應速率明顯地提高；相比之下，施加正電壓（+0.15V和+0.3V）則抑制了反應的進行。此外，作者還每隔30 min對反應的SERS光譜進行測量，並監測了3 h內兩個芳環C-C鍵振動峰強度的比值（圖3E）。正如預期的那樣，產物峰在-0.15 V下增長最快，並在~90 min後達到飽和狀態，而在其他電壓下，反應3 h後仍未完成。這些結果表明改變施加電壓會顯著地影響Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應的速率。具體而言，施加負電壓，電極相當於供電子基團，可以提高反應速率，這一結果與傳統的Hammett研究結果一致。

最後，作者探究了兩步法羧酸醯胺化反應（圖4）。首先，羧酸（如苯甲酸）進攻1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺（EDC）上的碳二亞胺碳，得到O-醯基脲。如果增強羧酸的氧親核性，就能加快第一步反應的進行。其次，O-醯基脲中的羰基碳可作為親電試劑與胺反應，得到所需的醯胺化產物。類似地，如果增強羰基碳的親電性，就會加快第二步反應的進行。事實上，當未施加電壓（即OCP）時，反應不會進行（圖4B）；當施加正電壓（+0.40 V）1 h後，反應仍不會進行；而施加負電壓（-0.70 V）反應1 h後，SERS光譜在1772 cm-1處出現了一個新的峰（圖4C），這歸因於O-醯基脲的羰基伸縮振動。當施加負電壓（-0.70 V）反應40 min後，切換至未施加電壓（即OCP）繼續反應20 min，發現在2228 cm-1處有一個微小的峰（即C≡N鍵的伸縮振動），這暗示著兩步法羧酸醯胺化反應已發生。接著，施加負電壓（-0.70 V）反應40 min，然後切換至正電壓（+0.40 V）繼續反應20 min，結果顯示2228 cm-1處的峰強度顯著增加（圖4D），這表明正電壓加速了第二步反應的進行。最後，作者測試了脈衝模式，即施加負電壓（-0.70 V）反應3 min，然後施加正電壓（+0.40 V）反應3 min，並在1 h內重複10次，結果顯示羰基峰和氰基峰均清晰可見（圖4D）。此外，圖4E顯示了不同電壓下兩個訊號的相對強度，這表明施加負電壓促進了第一步反應的進行，施加正電壓則促進了第二步反應的進行，從而證實了該方法能夠對分子的電性進行連續的調節。

總結

本文透過將反應物鍵合在電極上，使電極成為一種具有可調誘導效應的官能團，從而改變了分子的化學反應性，這與傳統官能團的誘導效應極為相似。最重要的是，該方法還能夠對分子的電性進行連續的調節。利用這種“電誘導效應”，作者實現了鹼催化的苯甲酸酯的皂化反應、Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應以及兩步法羧酸醯胺化反應的速率調節。然而，不足之處在於目標分子要透過巰基連線到金電極的表面上，這可能會限制這一策略的適用範圍及大規模應用前景。

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