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背景介绍

以廉价易得的CO₂为C1源(yuan)，通过(guo)烯烃的(de)芳羧(suo)基(ji)化(hua)反应合(he)成功能(neng)化(hua)羧(suo)酸是一种(zhong)十分绿色高(gao)效的(de)策略。通过(guo)自由基(ji)极性交叉偶联（RPCC）策略实(shi)现CO₂参与的烯(xi)烃双官(guan)能化反(fan)应(ying)(ying)已经被很(hen)多课题组研究并报道。然而，当使用亲(qin)电试剂(ji)作为(wei)自由基前体时，需(xu)要连续(xu)的还(hai)原(yuan)条件才能实现RPCC过程，这导致反(fan)应(ying)(ying)存(cun)在很(hen)大的挑战(zhan)（图(tu)1a）。近年(nian)来(lai)，李(li)纲（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 8122-8129.），雷爱文（Chin. J. Chem.2024, 42, 3367-3372.），仇友爱(ai)（Sci. China Chem. 2024, 67, 3825-832.），以及韩盼&敬林海（Org. Lett. 2024, 26, 4427-4432.）等课题(ti)组分别(bie)利用光(guang)催化、电催化的(de)手(shou)段，创造连续的(de)单电子还原条件(jian)，并捕获二氧(yang)化碳气体，实现了此类转化（图1b）。

图(tu)1 背景介绍(shao)（来源Org. Lett.）

作者以(yi)1,1-二苯乙烯2a为模板底物开展系统研究。首先对各种(zhong)市售金属草酸盐进行条(tiao)件(jian)筛(shai)选，发现只(zhi)有(you)(you)当使用作(zuo)者(zhe)自(zi)制(zhi)的TBAO时，才可(ke)以有(you)(you)效获得目标产物3aa。随(sui)后，作者又(you)对碱、溶(rong)剂、和(he)光源(yuan)波长等关键参数进(jin)行条件优化。（表1）确定最优反应为，在DMSO溶(rong)剂中，使用2当(dang)量TBAO，2当(dang)量碘苯，410 nm – 420 nm蓝光LED（45W）照(zhao)射(she)24 h后。核磁共振分析显示，该(gai)条件下以78%的收率(lv)（分离(li)收率(lv)72%）获得(de)目标产物3aa（表(biao)1，条目13）。对比实验(yan)明(ming)(ming)确表(biao)明(ming)(ming)，其他市售金(jin)属草(cao)酸(suan)盐均没有(you)产(chan)物(wu)，改用(yong)其他溶(rong)剂DMF, DMA等(deng)常(chang)规溶(rong)剂都会(hui)影响反应效(xiao)率。值得注意(yi)的是只有(you)草(cao)酸(suan)四乙基草(cao)酸(suan)铵在该反应中表(biao)现出(chu)反应活性，以(yi)14%的收率得到所需的产(chan)物(wu)3aa。主要(yao)产(chan)物为质(zhi)子化副产(chan)物3aa'，产(chan)率为41%（表1，条(tiao)目(mu)5-7）。这些结果(guo)表明(ming)，阴离(li)子和四丁基(ji)铵(an)阳离(li)子都(dou)是实(shi)现芳基(ji)羧(suo)基(ji)化(hua)的(de)关(guan)键。

表1条(tiao)件筛选(xuan)（来源Org. Lett.）

在确(que)定(ding)了最佳反(fan)应(ying)条件后(hou)，作(zuo)者(zhe)进(jin)一步(bu)考察该反(fan)应(ying)的底物(wu)适(shi)用范围(wei)（图2）首先研究活(huo)化(hua)烯烃(ting)苯环上不(bu)同取代(dai)基的烯烃(ting)一类底物(wu)，发现底物(wu)都可以兼容，且表(biao)现出良好(hao)的反(fan)应(ying)耐(nai)受性，能以高产率(lv)（最高达73%）获得相(xiang)应(ying)产物(wu)（3an-3ao）。接着他(ta)们还研(yan)究带有其他(ta)基团(tuan)（-OH、-COOMe、-CF₃）等都可以顺利进行，拿到相应产物（3af-3ah）。当(dang)使用共轭二烯时，相应产物(wu)3au，3av和(he)3aw的产率为68%，59%，52%。

图2 底物拓展（来(lai)源Org. Lett.）

在完成烯烃的(de)反应研究后，作者又考察芳基卤(lu)化(hua)物的(de)适用范围，如图3所示。对于以(yi)碘苯为底物的(de)模板反应，发现卤(lu)化(hua)物可(ke)以(yi)被溴化(hua)物取代。但反应产率略有下降，以(yi)50%的(de)产率得到(dao)产物3aa。对甲基取代的(de)碘苯和(he)溴苯也能(neng)产(chan)(chan)生所(suo)需的(de)酸产(chan)(chan)物，尽管产(chan)(chan)率较低（3ba）。为了观(guan)察这种还原转化的(de)能力，对(dui)甲氧基取代的(de)芳基卤化物（I, Br, Cl, E = -2.5 ~ -2.9 V vs SCE）进行了测试。虽(sui)然3ca的(de)产(chan)率随着不同芳基卤化物(wu)而下(xia)降，但这(zhei)些(xie)结(jie)果仍然表(biao)明(ming)了所开发的(de)方案的(de)有效性。由于碘(dian)芳烃(ting)表(biao)现出(chu)最好的(de)效率，接下(xia)来作者研究(jiu)了不同取代(dai)基的(de)碘(dian)芳烃(ting)，如Cl (1d), Ph (1e和1f)，萘（1g和1h）和(he)F（1i）。所有这(zhei)些碘(dian)芳烃都可以(yi)被认为是在TBAO存(cun)在下烯烃芳基(ji)羧化的良好底(di)物。有趣的是，当酯基(ji)加入芳基(ji)卤化物时，无论使用哪种卤化物底(di)物，反应(ying)似乎都进行得很好。对氟(fu)溴苯可以(yi)选(xuan)择性地裂(lie)解C-Br键，得到3ka的氟(fu)化产(chan)物，产(chan)率为47%。即使使用芳酰氯作为底物，CF₃官能(neng)团也能(neng)耐受（3la）。令人惊讶(ya)的是，反应后酮官能(neng)团仍然(ran)保(bao)留，虽然(ran)所需产品(pin)3ma的(de)收率(lv)不(bu)高。在该反(fan)应(ying)中，吡啶部分也(ye)被耐受(shou)，天然产物(wu)薄荷醇衍生的(de)底物(wu)也(ye)被研究，得到了合成(cheng)有用收率(lv)的(de)产物(wu)3oa。

图3 底(di)物拓展（来源Org. Lett.）

为了进一步展示作者所开发(fa)策略的合成实用性(xing)，他们(men)将反应规模扩(kuo)大到3 mmol 2a 进(jin)行反应，以65%的(de)分离收率获得产物(wu)3aa（图(tu)4a），随后作者(zhe)做了在标准(zhun)反(fan)应条件下(xia)添加(jia)自由基捕获剂(ji)TEMPO，发(fa)现(xian)反(fan)应被完全抑(yi)制（图4b），以及在标准(zhun)反(fan)应条件下(xia)添加(jia)重水，发(fa)现(xian)产(chan)物3aa骤降，其产物4氘代率为82%，将重水(shui)当量增加到(dao)5当量时，产物下降到(dao)13%，其产物4氘代率不变(bian)（图(tu)4c）。

图4 放(fang)大量反(fan)应与控(kong)制实(shi)验（来(lai)源Org. Lett.）

根据上述文献和实验结果，作者(zhe)提出可能的(de)机理（图5），最(zui)初，芳基(ji)卤(lu)化(hua)物与四丁基(ji)草(cao)酸(suan)盐之间形成EDA复(fu)合物。在蓝(lan)光照射后，EDA复(fu)合物被激发，触发分子(zi)内(nei)单(dan)电(dian)子(zi)从(cong)草(cao)酸(suan)阴离子(zi)转(zhuan)移(yi)到芳基(ji)卤(lu)化(hua)物。芳基(ji)卤(lu)化(hua)物被还原为自由基(ji)阴离子(zi)形式II，C−X键发(fa)生中(zhong)裂解(jie)，释(shi)放芳基自由基III。在活化(hua)烯烃存(cun)在的情况下，中(zhong)间体III与(yu)烯烃发生(sheng)(sheng)Giese自由基加成，生(sheng)(sheng)成新的以碳为中心的自由基IV。同时，草酸阴离(li)子(zi)在失(shi)去一个(ge)电子(zi)后转变为阴离(li)子(zi)I。自由基阴离子I中(zhong)的C−C键均解得(de)到CO₂和CO₂自(zi)由基(ji)阴离子，可作为强还(hai)原剂。因此(ci)，苯基(ji)中间体IV被CO₂自由基(ji)阴离(li)(li)子还原离(li)(li)子形(xing)成复合物V，其中阴(yin)离子被TBA⁺很好地稳定，阻止了(le)质子(zi)(zi)化(hua)过(guo)程。由(you)于(yu)TBAO分解释放两分子(zi)(zi)CO₂，碳阴离子IV捕获CO₂生成产物3。

图5 可能的反应机理（来源Org. Lett.）

二(er)氧化(hua)碳自由基阴离子(zi)物种（CO₂^•−）在(zai)参与羧基化反(fan)应(ying)时，其极(ji)性与CO₂分子相(xiang)比发生了反转(zhuan)，其既具(ju)有了亲核性质，可以与不饱(bao)和键发生Giese自由基(ji)加成，也可以作为强还原剂，实现惰性底(di)物的单电(dian)子还原。近(jin)年来关于CO₂^•−的报道逐渐增(zeng)多，其来源多集中在CO₂的(de)电/光(guang)化学还原（E_red = - 2.21 V vs SCE）或甲(jia)酸盐的攫氢（formate：BDE_C-H = 86 kcal/mol），而TBAO中草酸根的单(dan)电子氧(yang)化(hua)（C₂O₄^2-：E_ox = + 0.06 V vs SCE），原位释放CO₂^•−与CO₂的(de)(de)(de)(de)(de)性质(zhi)，为(wei)化学(xue)(xue)固碳的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式提供了新选择；而(er)TBA阳离子的(de)(de)(de)(de)(de)引入既能(neng)够(gou)解(jie)决(jue)传(chuan)统金属(shu)草酸盐低溶解(jie)度(du)、低活(huo)性的(de)(de)(de)(de)(de)问题，也在反(fan)应中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)底物活(huo)化，中(zhong)间(jian)体稳定(ding)性等方(fang)面发(fa)挥了至关重要的(de)(de)(de)(de)(de)作用。总之，期待(dai)TBAO试(shi)剂作为(wei)一(yi)种稳定(ding)，多(duo)功能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)还原(yuan)羧(suo)基(ji)化试(shi)剂，能(neng)够(gou)为(wei)新颖的(de)(de)(de)(de)(de)羧(suo)基(ji)化反(fan)应设计和(he)二氧(yang)化碳的(de)(de)(de)(de)(de)化学(xue)(xue)固定(ding)带(dai)来更多(duo)可能(neng)。

朱(zhu)旭，教(jiao)授，博(bo)士生导师(shi)，徐州(zhou)医科大学(xue)(xue)药学(xue)(xue)院生物有(you)机化学(xue)(xue)教(jiao)研室主任。2020年获江苏特聘教(jiao)授荣誉称号(hao)。2004-2011年本科和(he)硕士毕业于苏州(zhou)大学(xue)(xue)，师(shi)从纪顺俊教(jiao)授，开始接触有(you)机化学(xue)(xue)研究(jiu)。2015年获得新加坡南洋理工大学(xue)(xue)博(bo)士学(xue)(xue)位，导师为 Shunsuke Chiba 教授，研(yan)(yan)究(jiu)方向为(wei)氮、氧(yang)自(zi)(zi)由基(ji)(ji)化(hua)(hua)学(xue)。2016-2020年于(yu)美国密歇根大学(xue)从事光化(hua)(hua)学(xue)合成(cheng)以(yi)及(ji)天然(ran)产物全合成(cheng)研(yan)(yan)究(jiu)，合作导师为(wei) Corey Stephenson 和Corinna Schindler 教(jiao)授。曾获国家(jia)优(you)秀自(zi)(zi)费留(liu)学(xue)生奖(jiang)，南洋理(li)工大学(xue)最佳助(zhu)教(jiao)奖(jiang)。2020年起加入(ru)徐州医科(ke)大学(xue)药(yao)学(xue)院，开(kai)展独立研(yan)(yan)究(jiu)工作，研(yan)(yan)究(jiu)方向为(wei)甲(jia)酸(suan)(suan)盐(yan)/草酸(suan)(suan)盐(yan)促(cu)进的(de)可见光催(cui)化(hua)(hua)自(zi)(zi)由基(ji)(ji)型二氧(yang)化(hua)(hua)碳转(zhuan)化(hua)(hua)在药(yao)物分子合成(cheng)中的(de)应(ying)用(yong)。

文献详情：

Visible-Light-Induced Arylcarboxylation of Activated Alkenes with Aryl Halides and Oxalate Enabled by Electron Donor–Acceptor Complex Formation

Long Yin, Zhi-Tao Liu, Pei Xu*, Tian-Zi Hao, Mei-Hui Cui, Hao Zhang*, Xu Zhu*

Org. Lett. 2025, 27, 22, 5905–5910

//doi.org/10.1021/acs.orglett.5c01806

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