引言

        硫氰酸铵（NH₄SCN）在有机电化学中并不陌生。硫氰酸根（SCN⁻）通常可以作为SCN官能团的来源，当NH₄SCN出现在电解反应中时，较容易联想到硫氰化反应。

        然而，Grishin、Mulina、Vil’和Terent’ev在2024年发表的一项研究中观察到了不同的反应结果：吡啶-2-甲醛、胺和NH₄SCN在无隔膜电解池中进行恒电流电解，得到的是一系列1-氰基咪唑并[1,5-a]吡啶。进入目标产物的官能团是氰基（–C≡N），而不是完整的SCN基团。作者据此指出，在该反应中，NH₄SCN既承担电解质功能，又作为一种非常规氰化剂参与反应。[1]

这一结果提出了一个值得深入理解的化学问题：

SCN⁻本身含有S–C≡N结构，为什么在这一特定电解体系中，最终被用于构建产物的是CN部分，而不是完整的SCN基团？

答案涉及三个前后衔接的过程：SCN⁻的电化学氧化、亚胺对氰化物种的捕获，以及氰化中间体后续的氧化与环化。

1. 反应结果：NH₄SCN在该体系中提供CN而不是SCN

        2024年的研究以吡啶-2-甲醛、胺和NH₄SCN为反应组分，在恒电流和无隔膜电解条件下构建1-氰基咪唑并[1,5-a]吡啶。[1]

从整个转化过程看，各组分承担的主要作用并不相同。

        原论文提出的可能机理为：电化学过程中形成氰化活性物种，该物种加成到由吡啶-2-甲醛和胺形成的亚胺C=N键，随后经历DMSO介导的氧化或Shono型阳极氧化以及环化过程。[1]

按这一机理，整条反应可以概括为：

醛与胺缩合形成亚胺 → SCN⁻电化学氧化产生[CN]物种 → 亚胺氰化 → 氰化中间体进一步氧化 → 分子内环化 → 1-氰基咪唑并[1,5-a]吡啶

2. CN从哪里来：SCN⁻的阳极氧化改变了其反应方式

2.1 NH₄SCN并非惰性的支持电解质

        NH₄SCN作为离子盐，可以为电解体系提供离子传导，因此承担电解质功能。但其中的SCN⁻同时参与阳极反应，并不是仅负责导电的惰性离子。

        2024年论文指出，[CN]物种是在SCN⁻电化学氧化过程中生成的。这也是该工作区别于常见电化学硫氰化反应的重要特征：NH₄SCN在这里表现为CN源，而不是SCN源。[1]

这一功能转化可以简化表示为：

SCN⁻ —阳极氧化→ [CN]氰化活性物种

这是一条机理示意关系，表达的含义是：初始加入体系的是SCN⁻，而后续有机底物利用的是由其电化学转化产生的氰化活性物种。

2.2 2025年的后续研究进一步支持CN⁻的原位生成

        2025年，Grishin、Ustyuzhanin、Vil’和Terent’ev在另一类氰基杂环电合成中继续研究NH₄SCN作为CN来源的反应。该研究使用α-氨基酯和吡啶-2-甲醛作为底物，并结合循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）及控制实验讨论反应机理。[3]

作者将这一电化学过程归纳为两类相互衔接的阳极氧化：

        该研究指出，其反应建立在SCN⁻向CN⁻的阳极氧化以及杂环构建过程中C–N向C=N的氧化转化这两个过程的组合之上。[3]

        由于2025年研究采用的是α-氨基酯体系，其实验结果并不等同于对2024年苄胺体系全部中间体的直接鉴定，但它进一步支持了两个具有共性的过程：NH₄SCN可以在相关电解条件下原位产生氰化物种，氰化后的含氮中间体还可以继续发生氧化。

3. 亚胺为什么重要：它为原位生成的CN提供反应位点

SCN⁻能够产生氰化物种，并不能单独解释目标产物的形成。体系中还需要存在能够接受CN加成的有机底物。这一角色由亚胺承担。

3.1 吡啶-2-甲醛与胺先发生缩合

以苄胺类底物为例，吡啶-2-甲醛与胺首先缩合形成亚胺。

为便于表示，Ar代表芳基或杂芳基：

吡啶-2-甲醛 + ArCH₂NH₂ ⇌ 2-吡啶基–CH=N–CH₂Ar + H₂O

        形成亚胺以后，原来的醛羰基转化为C=N键。由于C=N键具有极化特征，其中的亚胺碳具有亲电性，可以接受亲核性氰化物种的进攻。[1]

        因此，亚胺形成不仅是杂环构建的前置步骤，也建立了CN进入有机骨架的反应位点。

3.2 CN加成形成α-氨基腈型中间体

按照作者提出的可能机理，电解过程中产生的[CN]物种可向亚胺C=N键加成，形成α-氨基腈型中间体。

这一过程可用示意式表示如下：

2-吡啶基–CH=N–CH₂Ar + [CN]（加成并伴随质子转移）→ 2-吡啶基–CH(CN)–NH–CH₂Ar

这里的式子用于表示净结构变化，不代表一个单独的基元反应。

        从反应类型看，这一步具有典型的Strecker型亚胺氰化特征：氰化物种向亚胺C=N键加成，从而形成α-氨基腈结构。

        这一反应模式在此前的研究中已经得到实验支持。2021年，Yang等人报道了吡啶-2-甲醛、苄胺和NH₄SCN之间的三组分反应。在五氧化二碘（I₂O₅）促进条件下，反应通过串联Strecker/C(sp³)–H胺化过程得到同类氰基咪唑并[1,5-a]吡啶。[2]

因此，2024年电化学反应中的重要联系为：

电化学过程提供氰化物种，而亚胺提供适合CN加成的亲电中心。

氰化发生后，CN以C–CN键的形式进入有机中间体，成为最终1-氰基产物中的氰基。

4. 氰化并不是终点：后续氧化决定了杂环能否形成

        完成CN加成以后，所得α-氨基腈型中间体仍然是开链结构。咪唑并[1,5-a]吡啶所需要的五元含氮环尚未建立，因此反应还需要经历进一步的氧化和分子内环化。

4.1 氰化中间体需要进一步提高反应活性

α-氨基腈中包含饱和的含氮结构，其中与氮相邻的C(sp³)–H位置需要进一步活化，才能为新的C–N键形成提供条件。

2024年作者提出了两种可能的氧化方式：

DMSO介导的氧化路径，或Shono型阳极氧化（Shono-type anodic oxidation）路径。[1]

        Shono型阳极氧化的基本特征，是通过阳极电子转移活化胺氮邻位的C(sp³)–H，使饱和含氮结构转化为亚胺、亚胺鎓或相关高反应性中间体。

2025年同一团队的后续研究进一步支持了这种认识，将“饱和C–N结构氧化为C=N结构”列为此类氰基杂环电合成中的关键阳极过程之一。[3]

4.2 C=N型中间体为分子内环化创造条件

        按照作者提出的机理，氧化后的中间体具有比原始饱和胺更适于成环的电子结构。经异构化后，分子中的吡啶氮可以参与分子内C–N键形成，关闭五元环；随后可经过进一步氧化和去质子化，形成芳香性的咪唑并[1,5-a]吡啶骨架。[1]

因此，整个骨架形成阶段可以概括为：

α-氨基腈型中间体 → DMSO介导氧化或Shono型阳极氧化 → C=N型中间体 → 分子内C–N成键 → 氧化/芳构化 → 1-氰基咪唑并[1,5-a]吡啶

        这一阶段说明，CN的引入只是整个级联反应中的一个中间步骤。后续氧化将开链氰化中间体转化为能够发生环化的结构，从而完成稠合杂环骨架构建。[1]

5. 为什么这一体系最终表现为CN转移而不是SCN转移？

从上述反应路径可以看出，CN取代产物的形成与三个连续条件有关。

        SCN⁻在电解过程中转化为具有氰化能力的[CN]物种；原位形成的亚胺能够接受该氰化物种加成；所得α-氨基腈型中间体又具备继续氧化和成环的结构条件。 这几个过程连续衔接，使NH₄SCN中的CN部分最终进入1-氰基咪唑并[1,5-a]吡啶。[1]

        需要注意，这种反应行为具有明确的条件依赖性。该研究说明的是在特定底物、溶剂、电极和电解条件下，NH₄SCN表现为CN来源，并不能由此推导出SCN⁻在一般电化学条件下都会优先发生氰化而不是硫氰化。

6. NH₄SCN的双重作用：电解质与CN前体

        在这一电化学反应中，NH₄SCN同时参与体系导电和CN基团引入两个过程。一方面，作为离子化合物，NH₄SCN为电解体系提供离子导电性；另一方面，其中的SCN⁻参与阳极氧化，形成具有氰化能力的[CN]物种，并进一步参与亚胺氰化和杂环构建。[1]

        NH₄SCN在该反应中并非单纯承担电解质作用。它既是电解体系中的离子来源，也是氰化活性物种的前体，这两项功能共同构成了该方法所体现的“一盐两用”。

6.1 电解质功能

        NH₄SCN溶解后形成NH₄⁺和SCN⁻，能够提供电解过程中所需的离子传导。与仅用于提高溶液电导率的惰性电解质不同，该体系中的SCN⁻还会继续参与阳极反应，因此NH₄SCN兼具电化学功能和化学反应功能。[1]

6.2 CN前体功能

        SCN⁻在阳极氧化过程中生成具有CN转移能力的[CN]物种，后者向原位形成的亚胺C=N键加成，使CN进入有机中间体，并最终保留在1-氰基咪唑并[1,5-a]吡啶产物中。[1]

        这种设计的特点在于，反应开始时加入的是NH₄SCN，而实际参与氰化的活性物种在电解过程中原位形成。NH₄SCN是CN来源和氰化活性物种的前体，而不是直接加入体系中的传统氰化物试剂。

7. 从2021年的I₂O₅体系到2024年的电化学体系，改变了什么？

NH₄SCN能够作为这类氰基咪唑并[1,5-a]吡啶反应的CN来源，并不是2024年首次报道。

2021年Yang等人已经建立了I₂O₅促进的三组分反应，由吡啶-2-甲醛、苄胺和NH₄SCN经过串联Strecker/C(sp³)–H胺化构建氰基咪唑并[1,5-a]吡啶。[2]

两项工作的主要区别如下：

2021年的研究已经证明，NH₄SCN可以作为这一类反应的替代CN来源。[2]

2024年工作的推进之处在于，利用电化学过程原位产生氰化活性物种，并继续推动氰化中间体的氧化和杂环形成，同时使NH₄SCN承担电解质功能。[1] 此研究重新设计了氰化物种生成和后续氧化成环的实现方式。

8. NH₄SCN电化学氰化与咪唑并[1,5-a]吡啶构建相关化学品及科研应用

表1. 核心氰源、反应介质及相关氧化试剂

表2. 吡啶醛类底物与杂环骨架构建砌块

表3. 胺类底物与取代基拓展砌块

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参考文献

[1] Grishin S. S., Mulina O. M., Vil’ V. A., Terent’ev A. O. Electrochemical synthesis of CN-substituted imidazo[1,5-a]pyridines via a cascade process using NH₄SCN as both an electrolyte and a non-trivial cyanating agent. Organic Chemistry Frontiers, 2024, 11, 327–335. DOI: 10.1039/D3QO01690K.

[2] Yang Q., Yan X.-T., Feng C.-T., Chen D.-X., Yan Z.-Z., Xu K. Tandem Strecker/C(sp³)–H amination reactions for the construction of cyanide-functionalized imidazo[1,5-a]pyridines with NH₄SCN as a cyanating agent. Organic Chemistry Frontiers, 2021, 8, 6384–6389. DOI: 10.1039/D1QO01060C.

[3] Grishin S. S., Ustyuzhanin A. O., Vil’ V. A., Terent’ev A. O. Electrochemically Mediated Synthesis of Cyanated Heterocycles from α-Amino Esters, Pyridine-2-carbaldehydes and NH₄SCN as Cyano Group Source. Chemistry – A European Journal, 2025, 31(15), e202404051. DOI: 10.1002/chem.202404051.

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