Concise Report

Synthesis of α-Nitroketones through Electrochemical Olefin Oxidation–Nitration

Yan-Zhao Xie, Shi-Yu Deng, Si-Ming Mo, Mao-Rui Wang,* Guo-ao Wang,* Hai-Tao Tang, and Ying-Ming Pan*

α-Nitroketones represent an important class of organic compounds in synthetic chemistry because of the synergistic interaction between their adjacent carbonyl and nitro functional groups. However, current reporting methods often pose environmental concerns and require harsh reaction conditions, such as the use of noble metal catalysts and external oxidants. Herein, we report a novel and environmentally benign electrochemical bifunctional groups strategy for the efficient synthesis of α-nitroketones directly from olefins. This approach is based on a dual-source system, in which Fe(NO3)3·9H2O serves as a versatile precursor, simultaneously supplying the nitro group, while trace amounts of water inherently present in the electrolyte act as the oxygen source for carbonyl formation. This tandem oxidation–nitration process enables the direct construction of the valuable α-nitroketone scaffold from simple starting materials in a single operational step. A primary advantage of this methodology lies in its inherently green and sustainable nature. Compared with conventional methods, this strategy markedly decreases the necessity of using hazardous and volatile nitromethane as a nitro source and avoids the routine application of stoichiometric condensation or oxidizing agents that tend to produce large quantities of chemical waste. Instead, electricity functions as a traceless redox agent, driving the transformation under mild conditions—generally at room temperature or with minimal heating and under ambient pressure. This leads to a significantly reduced environmental footprint and enhances operational safety. The reaction demonstrates remarkable synthetic utility, characterized by a broad substrate scope. A wide variety of olefins, including those bearing aryl, aliphatic, and heterocyclic substituents, are smoothly converted into the corresponding α-nitroketones in moderate to good yields. In summary, we have developed a mild, efficient, and sustainable electrochemical route to α-nitroketones. By integrating atom-economic principles with the advantages of electrosynthesis—including inherent safety and scalability—this work provides a powerful and practical alternative to conventional methods, aligning with the growing demands of modern green chemistry.

Electrochemistry | Olefins | Water | Iron(III) nitrate | Bifunctional groups | Oxidation–nitration | α-Nitroketones | Green chemistry | Sustainable chemistry

電化學(xué)烯烴氧化-硝化合成α-硝基酮

電化學(xué)為傳統(tǒng)氧化還原反應(yīng)提供了一種可持續(xù)、溫和且高效的理想替代方案。在電化學(xué)體系中，常見(jiàn)有機(jī)化合物可在電極表面直接發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，無(wú)需額外添加外部氧化還原劑，便能原位生成高活性中間體；同時(shí)，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)施加電流或電位，可實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)選擇性與效率的精細(xì)調(diào)控。相較于傳統(tǒng)合成方法，電化學(xué)途徑不僅具備更高的能量利用效率，其調(diào)控手段也更為精準(zhǔn)靈活。近年來(lái)，廣西師范大學(xué)潘英明-唐海濤團(tuán)隊(duì)深耕該領(lǐng)域，開(kāi)展了一系列系統(tǒng)性研究，為相關(guān)方向的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)（Nature, 2023, 617, 519; Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202315032; Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202404295; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e202505085; JACS Au, 2025, 5, 3639; Chin. J. Catal., 2023, 46, 4; Chem. Eng. J., 2025, 520, 165354; Sci. China Chem., 2024, 67, 3382; Sci. China Chem., 2022, 65, 1873; Chin. Chem. Lett., 2024, 35, 109445; Chin. Chem. Lett., 2023, 34, 107537）。

在合成化學(xué)領(lǐng)域，α-硝基酮是一類重要性的有機(jī)化合物，這一特性得益于其分子結(jié)構(gòu)中相鄰羰基與硝基官能團(tuán)的協(xié)同效應(yīng)——二者均為強(qiáng)吸電子基團(tuán)，賦予了α-硝基酮獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。這種結(jié)構(gòu)特征使其具備優(yōu)異的反應(yīng)多樣性，成為眾多化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的關(guān)鍵中間體。值得關(guān)注的是，α-硝基酮分子中的活性亞甲基部分，使其在有機(jī)催化不對(duì)稱反應(yīng)中展現(xiàn)出高效親核活性，能夠順利參與曼尼希型反應(yīng)、狄爾斯-阿爾德反應(yīng)、邁克爾加成反應(yīng)等多種重要轉(zhuǎn)化；同時(shí)，它們也是克諾文蓋爾縮合反應(yīng)中的通用型底物。除了出色的親核反應(yīng)活性，這類化合物還可作為高反應(yīng)活性的1,3-偶極中間體，憑借多功能反應(yīng)特性高效構(gòu)建異噁唑、異噁唑啉等異環(huán)骨架。更為重要的是，α-硝基酮中的硝基是一類通用性極強(qiáng)的合成“關(guān)鍵基團(tuán)”，可通過(guò)選擇性轉(zhuǎn)化為α-氨基酮、β-硝基醇、β-氨基醇、1,3-二羰基化合物、1,5-二羰基化合物等多種高價(jià)值合成中間體，為復(fù)雜分子的構(gòu)建提供豐富路徑。

近期，廣西師范大學(xué)潘英明-唐海濤團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種簡(jiǎn)潔高效且環(huán)境友好的電化學(xué)合成方法，成功實(shí)現(xiàn)了由烯烴和Fe(NO3)3?9H2O直接制備了α-硝基酮。

圖一 α-硝基酮的合成背景介紹

在底物拓展方面，以苯乙烯為模型底物（產(chǎn)率80%），考察了多種烯烴類型：對(duì)位取代苯乙烯（含氟、氯、溴等基團(tuán)，產(chǎn)率52%-78%）、間位取代苯乙烯（含氟、溴、甲基等基團(tuán)，產(chǎn)率55%-72%）、鄰位溴代苯乙烯（因位阻產(chǎn)率降至42%），以及內(nèi)烯烴（如甲基苯乙烯，產(chǎn)率58%-62%）、雜芳環(huán)烯烴、天然產(chǎn)物衍生物（L-薄荷醇、1-金剛烷甲醇衍生物，產(chǎn)率42%-47%）均展現(xiàn)出很好的底物適用性。

控制實(shí)驗(yàn)中，添加自由基捕獲劑（TEMPO、BHT）顯著抑制反應(yīng)并檢測(cè)到加合物，表明反應(yīng)經(jīng)自由基途徑；加入4?分子篩無(wú)產(chǎn)物生成、H218O標(biāo)記實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到含18O的產(chǎn)物，證實(shí)羰基氧源自水；分隔電解池?zé)o目標(biāo)產(chǎn)物，說(shuō)明陰陽(yáng)極均參與反應(yīng)。

轉(zhuǎn)化應(yīng)用上，該方法可實(shí)現(xiàn)克級(jí)合成（產(chǎn)率65%），且產(chǎn)物能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為多種衍生物，如與2-氨基苯甲醛反應(yīng)生成喹啉衍生物（產(chǎn)率65%）、與苯胺反應(yīng)生成1,2-二胺化合物（產(chǎn)率80%）等。

機(jī)理方面，陰極處 Fe(NO3)3·9H2O中的Fe3+還原為Fe2+，F(xiàn)e2+促使硝酸根離子生成二氧化氮自由基并與烯烴結(jié)合；體系中H2O原位生成Fe3+氫氧化物，通過(guò)自由基配體轉(zhuǎn)移形成碳-氧鍵得到α-硝基醇；最后在Fe3+促進(jìn)下，α-硝基醇氧化生成目標(biāo)α-硝基酮，完成烯烴的電化學(xué)雙官能團(tuán)化。

圖二 反應(yīng)機(jī)理

上述研究結(jié)果作為Report發(fā)表于Chin. J. Chem. 2026, 44, 501—507. DOI: 10.1002/cjoc.70330。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣西高層次創(chuàng)新人才和團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)等項(xiàng)目的資助。

認(rèn)識(shí)本文的作者們

Left to Right: Yan-Zhao Xie, Shi-Yu Deng, Si-Ming Mo, Mao-Rui Wang, Guo-ao Wang, Hai-Tao Tang, Ying-Ming Pan

潘英明教授簡(jiǎn)介

廣西師范大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院

潘英明：二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師。H因子51，入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單（2021-2025年），全國(guó)師范類院校明德獎(jiǎng)獲得者，廣西“十百千”人才工程第二層次人選，國(guó)家一流本科課程負(fù)責(zé)人，廣西普通本科高校課程思政教學(xué)名師。廣西有機(jī)化學(xué)專業(yè)委員會(huì)副主任委員，第一、二屆廣西高校化學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員，Green Synthesis & Catalysis編委。主要研究領(lǐng)域包括：光/電催化、異相催化。至今，已主持各類科研課題30多項(xiàng)，其中國(guó)家自然科學(xué)基金4項(xiàng)（含面上項(xiàng)目）、廣西高層次創(chuàng)新人才和團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)項(xiàng)目1項(xiàng)、廣西自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目1項(xiàng)、廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)和廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃2項(xiàng)等。已在Nature, Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Chem. Eng. J., ACS Catal., Adv. Sci.等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表SCI論文200余篇，其中有ESI高被引論文18篇、熱點(diǎn)論文6篇。獲20余項(xiàng)授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利，出版教材8部和撰寫英文專著6章。獲廣西教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第一）、廣西科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第一）和三等獎(jiǎng)（排名第四）各1項(xiàng)，以及廣西自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第一和第二）2項(xiàng)和三等獎(jiǎng)（排名第二）1項(xiàng)。多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)得到應(yīng)用與推廣，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前已經(jīng)培養(yǎng)了國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才、海外優(yōu)青、中國(guó)化學(xué)會(huì)青年人才托舉工程人選和中國(guó)青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)各1人。