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CO2参与的直接羧化反应可以获得有价值的羧酸化合物，而不需要经历传统的甲酰化和氧化过程。然而，CO2的动力学和热力学稳定性很高，使得反应中需要使用亲核有机金属底物或者苛刻的条件。为了解决这一问题，过渡金属催化不饱和烃的氢羧基化方法应运而生。尽管过渡金属催化的优势很多，相关反应也有限制性，即往往需要使用高能量的还原剂。而光氧化还原催化的方法可以突破这些限制。 CO2直接羧化的另一个挑战是获得反马氏产物的方法有限。如图1a所示的过渡金属催化反应，由于过程中生成更稳定的η3苄基金属组分，所得产物α-羧酸为马氏产物。 图1. 苯乙烯和CO2的直接氢羧基化 来源：J. Am. Chem. Soc. 近日，来自麻省理工学院的Timothy F. Jamison团队在J. Am. Chem. Soc.上发表论文，报道了苯乙烯氢羧基化新方法。在叔胺还原剂和1个标准大气压CO2的存在下，通过连续流光氧化还原催化，可以得到反马氏的β-羧酸（图1b）。 Timothy F. Jamison教授 来源：MIT- The Jamison Research Group 如图2所示，连续流装置中为包含苯乙烯、光氧化还原催化剂（p-三联苯）、还原剂和反应助剂的DMF溶液（0.15 M），以及由质量流量控制器（mass flow controller，MFC）控制的CO2。反应各组分混合后，被 UV光反应器（500 W Hg(Xe)灯）照射。由于混合更充分，路径更短，两相光化学反应在连续流中进行比在传统的间歇系统中更高效。 图2. 连续流光化学系统 来源：J. Am. Chem. Soc. 首先，作者以苯乙烯1a为反应底物，筛选了不同的还原剂和反应助剂（图3）。实验结果显示，在2当量1,2,2,6,6-五甲基哌啶（PMP）和19当量H2O的存在下，目标产物2a的产率可达到87%。同样的底物和试剂参数在间歇系统中反应，产率下降至36%，不过单/双羧基化的选择性很高。 图3. 反应条件筛选 来源：J. Am. Chem. Soc. 接下来，作者对反应底物进行了拓展。含不同取代基的苯乙烯、吲哚乙烯、苯并呋喃乙烯等端末苯乙烯，以及一系列α，β-取代苯乙烯，都能以不错的产率得到氢羧基化产物（图4,5）。 图4. 底物拓展（末端苯乙烯） 来源：J. Am. Chem. Soc. 图5. 底物拓展（α，β-取代苯乙烯） 来源：J. Am. Chem. Soc. 为了研究反应机理，作者设计了对照实验和同位素氘标记实验（图6）。对照实验表明，在没有PMP的反应条件下，不能生成目标产物，也不消耗原料；而在没有CO2的反应条件下，同样没有检测到目标产物，但原料苯乙烯的转化率为88%，生成乙苯。各组分的电化学性质可以对实验结果提供理论依据。苯乙烯在DMF中的还原电势为E1/2 = −2.58 V vs SCE，在没有CO2存在下，完全可以被p-三联苯的阴离子自由基（E0= −2.63 V vs SCE in DMF）还原成乙苯。而CO2（E0 = −2.21 V vs SCE in DMF）存在的情况下，将不生成乙苯。从氘标记实验可知，加成到双键上的氢来自于H2O。 图6. 机理研究实验 来源：J. Am. Chem. Soc. 基于以上实验结果，作者给出了反应机理（图7）。光氧化还原催化剂p-三联苯（6）被激发后产生单重激发态6*，与PMP经过单电子转移过程得到具有强还原性的p-三联苯阴离子自由基6·−，以及PMP阳离子自由基（光氧化还原循环A）。CO2被6·−还原成阴离子自由基之后，加成到苯乙烯的β-位，生成稳定的苄基自由基中间体7，再进一步被还原成苄基阴离子8。最后，经H2O的质子化作用得到氢羧基化产物9。 图7. 提出的机理 来源：J. Am. Chem. Soc. 总结： Timothy F. Jamison团队开发了连续流中进行的CO2与苯乙烯直接β-选择性氢羧基化方法，反应以PMP作为还原剂，p-三联苯为光氧化还原催化剂，H2O为质子来源。新方法为合成反马氏β-羧酸提供了新选择。 论文链接： 了解更多最全、最新论文快讯 登录CBG官网（www.chembeango.com） 下载ChemBeanGo APP CBG资讯 ∣知识就是力量 |
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