第一作者：Lei Song
通讯作者：余达刚
通讯单位：四川大学
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41929-022-00841-z
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几十年来，二氧化碳（CO₂）的高价值利用引起了全世界的关注。烯烃与二氧化碳的催化羧化合成有价值的羧酸和二元酸是非常重要的研究领域。尽管 CO₂ 的可见光光催化单电子转移还原可以为不同的化学和区域选择性提供替代方案，但目前很少有在羧化反应中的研究报道。此外，从未有人报道过用CO₂•-对未活化烯烃进行可见光光催化羧化。本文报告了未活化烯烃与 CO₂ 的可见光光催化二羧化和加氢羧化。与以前仅限于活化烯烃的报道相比，本文可以对多种未活化的脂肪族烯烃进行选择性羧化反应，并以中等甚至较高的产率生成羧酸、二羧酸和非天然 α-氨基酸衍生物。机理研究表明，CO₂ 可能通过连续的光诱导电子转移被还原为 CO₂•−，并且该物种会攻击未活化的烯烃，随后进行氢原子转移和其他相关过程以提供相应的产物。
背景介绍
光合作用是利用光能、二氧化碳 (CO₂) 和水来产生有机化合物和氧气的重要过程。一个多世纪以来，化学家一直在模仿自然，利用光来促进难以实现的具有挑战性的化学反应。除了紫外光驱动之外，可见光光催化具有条件温和、官能团耐受性高和环境友好等特点，最近已成为一种活化惰性键和小分子的有力工具。
CO₂ 是化学合成中理想的单碳源，因为它含量丰富、易于获得且毒性低。因此，CO₂ 的可见光光催化转化的发展引起了人们的极大关注。通过双电子活化模型的可见光光催化 CO₂ 羧化是一种高效的、可持续的方法，不仅用于还原生成燃料分子和大宗化学品，还可用于合成高附加值的羧酸和衍生物，因此在制药和聚合物行业中具有广泛的应用。尽管通过将 CO₂ 直接单电子还原为 CO₂ 自由基阴离子 (CO₂•-) 的过程可以为不同的化学和区域选择性提供替代选择，但由于 CO₂ 的高还原电势和 CO₂•-的不稳定性，其在光催化羧化反应中的研究较少（图 1a）。烯烃是目前研究最多的可见光光催化 CO₂ 羧化分子，因为它们是容易获得的大宗化学品，并且碳-碳双键是有机化合物中的常见官能团（图 1c）。研究人员已经开发了许多种类的光催化系统以从具有不同化学和区域选择性的烯烃生成多种羧酸。然而，这些反应大多数仅限于活化烯烃，例如苯乙烯和丙烯酸酯（图 1b，c）。相比之下，在自然界和工业中更丰富的脂肪族烯烃是更具挑战性的底物。由于反应物的低反应性和较差的选择性控制，很少有报道成功实现 CO₂ 的可见光光催化羧化反应。因此，科学界非常需要开发一种替代策略来克服脂肪族烯烃底物本征局限性，并提高反应性。
图文解析
图1. 烯烃与 CO₂ 的可见光光催化羧化。a，CO₂ 的产生和活化模型。b，通过光诱导电子转移 (PET) 用CO₂ 对活化烯烃进行羧化的先例。c，活化和未活化烯烃之间的差异，以及它们与CO₂•-的反应。d，CO₂•− 自由基加成活化和未活化烯烃的密度泛函理论计算。e，所设计的可见光光催化 CO₂ 对未活化烯烃的二羧化和氢羧化反应。HAT，氢原子转移；Intra-HAT，分子内 HAT；Inter-HAT，分子间HAT；SET，单电子转移。
图2. 用于还原性二羧化的底物范围。标准反应条件：烯烃（0.2mmol，1.0 equiv.），fac-Ir(ppy)3（1mol%），Cs₂CO₃（4.5 equiv.），Cy2NEt（2.5 equiv.），DMSO（0.1M），蓝光照射 LED，在室温 (r.t.)下，在CO₂ (1atm) 下，48h。报告了分离产品的产量，括号中显示了原材料的回收率。a使用了 Cs₂CO₃（6.5 equiv.）。b使用了 Cs₂CO₃（5.5 equiv.）。c在二羧化后进行 TMSCHN2（8.0 equiv.）的酯化。d使用了 fac-Ir(ppy)3 (0.5mol%)、Cs₂CO₃(5.0 equiv.)。e使用了Cs₂CO₃（5.0 equiv.）。f6l:6c=7.1:1，5l和5c的1:1混合物作为原料回收利用，利用1H NMR检测。TMSCHN2，三甲基甲硅烷基重氮甲烷；Bz、苯甲酰基；d.r.，非对映体比率。
图3. 通过分子间 HAT 进行加氢羧化的底物范围。标准反应条件：7 (0.2mmol, 1.0 equiv.), fac-Ir(ppy)3 (1mol%), DIPEA (1.5 equiv.), tBuOK (3.0 equiv.), TBAC (1.5 equiv.), NMP ( 0.1M），蓝色 LED，在 50°C，在 CO₂（1atm）下照射 48h，分离产率。a72 小时。b使用10 mmol 的7o，96h。c使用fac-Ir(ppy)3 (0.5mol%), DIPEA (2.0 equiv.), 60°C。d使用 DIPEA（2.0 equiv.），60°C。eFischer-Tropsch 原材料由 71% 的 1-辛烯和 19% 的 1-辛烷组成。fFischer-Tropsch 原材料由 72% 的 1-壬烯和 18% 的 1-壬烷组成。g使用了丙烯（2atm），CO₂（1atm），fac-Ir(ppy)3（0.001mmol），DIPEA（0.3mmol），tBuOK（0.6mmol），TBAC（0.3mmol），NMP（2ml）；然后是nC4H9I (1.0mmol), Cs₂CO₃(0.6mmol), 80°C, 4h, 气相色谱 (GC) 检测产率。TBAC，四丁基氯化铵。NMP，1-甲基-2-吡咯烷酮；Boc，叔丁氧羰基；TON，转换数。
图4. 对照实验。a，自由基清除剂实验。b，1,5-HAT 过程的氘标记实验。c，分子间 HAT 的 KIE 实验（一锅）。d，分子内 HAT 的 KIE 实验。e，基于CD₃OD的淬火实验。f，HCO₂−和 (C₂O₄)2−的检测。PC、光催化剂；N.D.，未检测到。
总结与展望
总的来说，本文实现了 CO₂ 对未活化烯烃的可见光光催化二羧化和加氢羧化。这些反应具有反应条件温和（室温，1 atm CO₂）、底物范围广、官能团耐受性好和操作简单等特点。一系列脂肪族羧酸、二羧酸和非天然 α-氨基酸衍生物可基于易获得的未活化烯烃来有效地生成。在工业混合物中，丙烯、大宗化学品和末端烯烃的选择性加氢羧化也可以实现附加值提升，突出了该策略的优势。此外，来自天然产物的底物（包括孕烯醇酮、L-薄荷醇、DL-异冰片醇、胆固醇和香茅醇）的后期修饰也在本文的反应条件下顺利进行。与之前活化烯烃的羧化反应相比，本文的结果代表了一个较少报道的例子，即以 CO₂•- 作为关键中间体的未活化烯烃的可见光光催化羧化反应，这可能是通过 conPET 产生的。该策略为 CO₂ 在惰性底物的挑战性羧化反应中的利用开辟了方向。
来源：邃瞳科学云
