近年來，電化學合成領域發展十分迅速，為有機合成化學提供了一條新路徑。在電化學合成反應中，反應物可以通過單電子轉移過程（Single Electron Transfer, SET）直接從電極上得到一個電子（陰極還原過程）或失去一個電子（陽極氧化過程）。“自由基中間體”在大部分電化學合成反應中都扮演著重要的角色。因此，如何在電化學體系中檢測及研究自由基中間體的化學性質成為了一個重要課題。由于自由基中間體一般都具有較高的活性及較低的濃度，直接的檢測、研究成為了挑戰。在以往的報道中，科學家們一般選擇使用循環伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）或自由基捕獲實驗間接的進行研究。盡管這些方法為自由基化學的發展做出了卓越的貢獻，但仍然存在著一定的局限性。比如：CV測試中并不能給出中間體的結構信息；很難選到合適的捕獲劑去“抓到”每一種性質各異的自由基中間體。因此發展一種原位的自由基檢測手段十分重要。
武漢大學雷愛文（點擊查看介紹）課題組始終致力于利用原位手段檢測均相反應體系中的高活性物種，并深入地探索有機化學反應機理。此前，已經利用大科學裝置——同步輻射、原位紅外、原位拉曼、核磁等手段對均相反應中的過渡金屬催化機制進行了系統性地研究。本文中，作者通過原位電子順磁共振波譜（in situ EPR）實現了對電化學體系中氮自由基中間體的檢測、研究。
（1）裝置設計
該裝置中最為關鍵的“扁平池”部分可以通過商業購買獲得，因此本文中的測試方法很容易被拓展到其他電化學研究中。為了模仿真實的反應條件，測試中使用碳絲作為陽極，鉑絲作為陰極，通過橡膠塞密封，通過抽排將體系置換為氮氣氛圍。使用恒電位儀作為電源，可以在電解的條件下直接進行EPR測試。
（2）氮自由基的檢測及研究
首先作者選取了磺酰胺到相應氮自由基的陽極氧化過程作為模型反應。對比取樣EPR測試，該測試方法的優勢在于：（1）可以提供一個惰性氣體氛圍。該氮自由基對氧氣敏感，使用取樣法測試難免接觸空氣造成自由基淬滅。（2）氮自由基為貧電子自由基，取樣EPR測試中常用的捕獲試劑，如：5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）難以將其捕獲。
通過原位測試作者發現，通電后會有一個明顯的自由基信號產生，且強度逐漸增加，隨后達到平衡。在斷電后，自由基信號強度會快速衰減（圖3b）。通過對信號進行擬合，可以發現該自由基為磺酰胺氮自由基（圖3c）。測試中發現，只有在六氟異丙醇（HFIP）作為溶劑時才可以獲得明顯的自由基信號。為對這一現象做出解釋，作者與武漢大學戚孝天教授團隊展開合作，通過理論計算（圖3e）結合核磁及CV測試（圖3d），證明了六氟異丙醇與氮自由基間存在著較強的氫鍵作用因而使其穩定。
接著，作者研究了電流及添加劑對自由基產生的影響，發現：提高電流可以加速自由基的生成，在電流為4 毫安時達到峰值（圖4a）。加入無機堿碳酸銫有利于自由基的產生（圖4b）。隨后，作者將環己烷加入體系，可以觀察到自由基信號明顯的減弱（圖4c）。通過捕獲實驗，可以檢測到環己基自由基被DMPO捕獲的產物（圖4d）。證明了氮自由基與未活化烷烴之間的氫原子轉移過程（Hydrogen Atom Transfer, HAT）。這也為磺酰胺可以作為電化學氧化還原媒介（Mediator）活化C(sp3)-H化合物提供了證據。
（3）方法學研究
將機理實驗得到了信息進行匯總，簡單改變磺酰胺的結構就可以以95%的產率得到目標產物，實現未活化環己烷的芳基化反應。不加入Mediator或不通電反應均不會發生，使用其他溶劑同樣不能檢測到產物，這與機理實驗相互呼應（圖5）。底物拓展表明，對于有取代基的環己烷，反應更容易發生在取代基的間位（圖6，4ja-4pa）。作者認為這是數學選擇性與空間位阻共同控制的。對于不同類型的貧電子芳烴，該策略都可以兼容。值得一體的是，由于烷烴用量可以控制在3個當量，在面臨多個反應位點時，可以很好的控制反應只發生單取代（圖6，4ao-4at）。
綜上所述，通過原位EPR裝置結合理論計算、CV、核磁等手段，本文實現了原位電化學條件下對氮自由基性質及結構的研究。并將這些性質成功地運用到方法學中，實現了C(sp3)-H的芳基化反應。
這一成果近期發表在J. Am. Chem. Soc.上，該論文第一作者為武漢大學高等研究院博士研究生劉弈暢，武漢大學雷愛文教授與戚孝天教授為本文共同通訊作者。