利用CO2作為廉價(jià)易得的碳源進(jìn)行羧化反應(yīng)，是合成高附加值羧酸最直接的方法之一。由于二羧酸類化合物在天然產(chǎn)物、藥物和功能聚合物中廣泛存，近年來通過CO2參與的二羧化反應(yīng)來合成二羧酸引起了化學(xué)家的興趣。然而由于CO2固有的熱力學(xué)穩(wěn)定性和動力學(xué)惰性，將兩個(gè)CO2分子同時(shí)引入到分子中具有很大挑戰(zhàn)性。盡管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了C=C多鍵、C-C單鍵以及C-H單鍵等與CO2的二羧基化反應(yīng)，但對于其它碳雜鍵的二基羧化在很大程度上未被探索，同時(shí)斷裂兩個(gè)C-O單鍵實(shí)現(xiàn)簡單易得的環(huán)氧化合物與CO2的直接二羧基化還尚未見報(bào)道。這可能是由于C-O單鍵的鍵解離能高，且氧中心自由基或陰離子片段的離去基團(tuán)能力差，導(dǎo)致C-O單鍵的斷裂具有一定的挑戰(zhàn)性。因此開發(fā)綠色溫和的方法，通過斷裂環(huán)氧的兩個(gè)C-O單鍵與CO2發(fā)生雙羧基化合成二羧酸具有重要意義。
圖一、CO2雙羧基化反應(yīng)的研究進(jìn)展 近年來，華東師范大學(xué)周鋒教授團(tuán)隊(duì)一直致力于CO2的高選擇轉(zhuǎn)化利用方面的研究，一方面通過發(fā)展新型手性PYBOX配體，探索 CO2參與的不對稱催化串聯(lián)反應(yīng)，高立體選擇性合成手性雜環(huán)（ACS Catal. 2017, 7, 8588; Nat. Chem. 2024, 16, 521; Sci. China. Chem. 2024, doi.org/10.1007/s11426-024-2346-4),另一方面利用電化學(xué)方法，探索惰性化學(xué)鍵與CO2的羧化反應(yīng)，高化學(xué)選擇性合成羧酸（Chem. Sci. 2020, 11, 10414; Org. Lett. 2021, 23, 2726）。前期分別發(fā)展了惰性C(sp3)-F鍵和C(sp2)-F與CO2的電化學(xué)脫氟羧化反應(yīng)，在此基礎(chǔ)上最近實(shí)現(xiàn)了烯基環(huán)氧化物與CO2的直接電化學(xué)二羧化反應(yīng)。通過CO2單電子還原產(chǎn)生的自由基陰離子，與乙烯基環(huán)氧發(fā)生自由基加成，誘導(dǎo)兩根C-O鍵的斷裂，結(jié)合電化學(xué)還原羧化得到二羧酸。反應(yīng)具有高化學(xué)、區(qū)域和立體選擇性，以及廣泛的底物范圍，包括α-芳基、α-烷基和α-苯乙烯基環(huán)氧以及環(huán)碳酸酯，都可以順利發(fā)生反應(yīng)得到具有E構(gòu)型的己二酸或辛二酸。 圖二、CO2雙羧基化反應(yīng)的研究進(jìn)展 所得的二羧酸可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二酯，隨后選擇性還原為相應(yīng)的羥基酯或水解為羧酸酯，可分別進(jìn)一步與多種含羧基或胺基的藥物分子發(fā)生縮合得到相應(yīng)羧酸衍生物，為藥物化學(xué)研究提供了潛在的應(yīng)用。 圖三、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化 為探究反應(yīng)機(jī)理，作者進(jìn)行了系列對照實(shí)驗(yàn)。首先，在標(biāo)準(zhǔn)條件下通過核磁檢測到了體系中甲酸和草酸存在，說明CO2可能在陰極上被單電子還原為自由基陰離子；通過監(jiān)測反應(yīng)過程表明，δ-羥基酸可能是反應(yīng)的關(guān)鍵中間體；氘代實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)經(jīng)歷了碳負(fù)離子中間體過程；循環(huán)伏安結(jié)果表明，在反應(yīng)過程中CO2的電化學(xué)還原應(yīng)優(yōu)先發(fā)生在烯基環(huán)氧化物和環(huán)碳酸酯的電化學(xué)還原之前。 圖四、機(jī)理探究 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，作者提出了可能的反應(yīng)機(jī)理，首先二氧化碳經(jīng)歷單電子還原為自由基陰離子，進(jìn)而加成到乙烯基環(huán)氧的乙烯基部分，隨后經(jīng)過進(jìn)一步單電子還原以及β-O裂解得到關(guān)鍵中間體δ-羥基酸鹽II，其與CO2反應(yīng)得到碳酸鹽中間體III，該中間體的形成促進(jìn)了烯丙位C-O鍵的活化，進(jìn)一步單電子還原斷裂第二根 C-O鍵，形成烯丙基自由基中間體IV，隨后該中間體經(jīng)單電子還原、對CO2親核進(jìn)攻并酸化得到目標(biāo)二酸產(chǎn)物。 圖五、可能的反應(yīng)機(jī)理 在該工作中，周鋒教授團(tuán)隊(duì)利用電化學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了CO2與乙烯基環(huán)氧的還原二羧基化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)C-O鍵的選擇性裂解。該方法具有很高的化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性，以及廣泛的底物普適性，由此產(chǎn)生的E-式二羧酸可作為平臺分子進(jìn)一步衍生化，機(jī)理研究表明反應(yīng)可能涉及CO2自由基陰離子加成和兩個(gè)C-O鍵的還原斷裂的途徑。 論文信息 Electrochemical Dicarboxylation of Vinyl Epoxide with CO2 for the Facile and Selective Synthesis of Diacids Deyong Yang, Ying Sun, Nan Feng, Yuqing Zhong, Prof.?Dr. Jian Zhou, Prof.?Dr. Feng Zhou Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202419702
