四川大学Nature Catalysis

催化计

2021-05-14

第一作者：Tao Ju

通讯作者：余达刚

通讯作者单位：四川大学

研究亮点

1. 首次实现了模拟天然光催化过程中的级联多步单电子催化，在分子中安装多个CO₂分子

2. 对烯烃、联烯、（杂）芳烃兼容

光驱动CO₂有机合成反应作为一种模拟自然界中的合成过程，具有广泛的应用前景。但是目前的相关合成方法学中一般只能将一个CO₂分子安装到有机化合物分子中，远远低于自然光化学合成领域中在一个有机分子中安装CO₂分子的数目。有鉴于此，四川大学余达刚等报道一种在烯烃、联烯、（杂）芳烃分子中安装两个CO₂分子的可见光催化方法学，该方法的反应条件温和，能够选择性的构建多个C-C化学键，为合成高附加值的双羧酸分子提供一种简单、方便的途径。

该方法具有催化剂担载量低、官能团兼容性较好、广泛的底物种类等优势，能够用于合成药物分子、材料分子的衍生化。作者通过反应机理研究，展示了该反应的可见光驱动两电子还原机理，具体通过连续单电子转移（SSET）分别进行两步单电子转移生成自由基阴离子，分别与两个CO₂分子反应。

图1. 光催化烯烃双羧酸化示意图

背景

目前，可见光催化能够以两种催化反应过程对烯烃进行双官能团化：产生自由基加成到烯烃分子中，从而生成新碳中心自由基物种；通过单电子转移过程将烯烃氧化，生成烯烃的自由基阳离子。对于烯烃、（杂）芳烃底物而言，通过可见光催化实现双官能团化具有一定难度，这是因为烯烃、（杂）芳烃分子具有较高的还原电极电势，同时存在还原反应、自偶联等竞争性副反应。此外，该反应的自由基中间体物种具有将亲电性的偶联分子进行还原的趋势。

双羧酸有机分子。丁二酸（succinic acid）等双羧酸有机分子是天然产物有机分子、药物分子、合成反应中间体、聚合物分子前体分子等重要的结构单元。因此，合成此类双羧酸有机分子受到广泛关注。

反应设计

图2. 反应条件优化

该方法学中具体通过连续单电子转移（SSET）过程还原烯烃、对CO₂的双重亲核进攻实现烯烃的双羧酸化。

双羧酸化反应中的困难之处在于，光激发的方法生成烯烃的自由基阳离子中间体物种非常困难，生成的烯烃自由基容易发生自由基二聚反应/通过摘氢反应被还原等副反应，而不是继续进行第二步单电子还原。

作者通过优化反应条件，发现当以4CzlPN作为光催化剂，ⁱPr₂NEt作为还原剂，Cs₂CO₃作为碱，能够实现优异的反应活性。控制实验显示，当光催化剂选择fac-Ir(ppy)₃，反应的产率仅为35 %。

兼容性

图3. 部分双羧酸反应

作者首先考察了1,1-双芳基烯烃的芳基兼容性，发现该反应的芳基兼容OMe、SMe、F、COOMe、CF₃、OCF₃、Cl等取代基，而且该反应方法学对芳烃的亲电性并不敏感，对于芳基对位修饰给电子、电中性、缺电子基团的底物，该反应都表现了兼容性，能够实现较好或者优异的选择性。当芳基底物的间位、邻位修饰官能团时，同样能够实现对烯烃的双官能团化。此外，作者发现本文方法学兼容萘、杂芳烃底物分子（比如噻吩、呋喃、苯并呋喃等）。同时，通过电化学测试发现，双芳基烯烃的还原电极电势低于炔烃、惰性烯烃，因此该反应中对活化的烯烃具有选择性。

反应机理

图4. 反应机理

有机光催化剂PC在光激发条件中生成激发态，随后通过ⁱPr₂NEt₂的单电子还原生成PC^·-，随后还原态有机光催化剂PC^·-将烯烃原料分子还原为自由基阴离子，该烯烃阴离子自由基捕获CO₂后生成对应的自由基羧酸阴离子中间体B，中间体B在另一个还原态PC^·-作用中进行还原生成双阴离子中间体C，该中间体C中的碳阴离子捕获另一个CO₂分子，从而生成含有两个羧酸基团的双羧酸产物。

反应机理、中间体验证。作者通过Stern–Volmer淬灭、UV-Vis光谱监测实验，验证了激发态光催化剂PC*（*4CzlPN）与ⁱPr₂NEt₂之间的单电子转移是引发光催化的反应。通过一系列控制实验，对该反应的可能中间体物种进行验证：

当含有环丙基的烯烃作为反应物，同时不加入CO₂气氛，反应中生成环丙烷基开环的产物，说明该反应中以自由基过程进行；

当二芳基乙烯底物不加入CO₂气氛而使用N₂气氛，同时加入20倍量D₂O，该反应的双键发生还原，而且还原的双键位点上分别加成72 %、80 %的D原子；

当烯烃原料分子上修饰一个F原子，在标准反应条件中，反应过程中通过消除β-F键生成羧酸，说明该反应过程中烯烃自由基阴离子是重要的反应中间体。在双芳基烯烃的正常反应中，分别加入6倍、40倍D₂O，产物中双羧酸产物的产量显著降低，同时苄基位点中在6倍、40倍D₂O的条件中分别修饰36 %、88 % D原子，产率分别为20 %、39 %。

参考文献及原文链接

Ju, T., Zhou, YQ., Cao, KG. et al. Dicarboxylation of alkenes, allenes and (hetero)arenes with CO₂ via visible-light photoredox catalysis. Nat Catal 4, 304–311 (2021).

DOI: 10.1038/s41929-021-00594-1

https://www.nature.com/articles/s41929-021-00594-1