第一作者：Tao Ju
通訊作者：余達(dá)剛
通訊作者單位：四川大學(xué)
研究亮點
1. 首次實現(xiàn)了模擬天然光催化過程中的級聯(lián)多步單電子催化，在分子中安裝多個CO2分子
2. 對烯烴、聯(lián)烯、（雜）芳烴兼容
光驅(qū)動CO2有機合成反應(yīng)作為一種模擬自然界中的合成過程，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是目前的相關(guān)合成方法學(xué)中一般只能將一個CO2分子安裝到有機化合物分子中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然光化學(xué)合成領(lǐng)域中在一個有機分子中安裝CO2分子的數(shù)目。有鑒于此，四川大學(xué)余達(dá)剛等報道一種在烯烴、聯(lián)烯、（雜）芳烴分子中安裝兩個CO2分子的可見光催化方法學(xué)，該方法的反應(yīng)條件溫和，能夠選擇性的構(gòu)建多個C-C化學(xué)鍵，為合成高附加值的雙羧酸分子提供一種簡單、方便的途徑。
該方法具有催化劑擔(dān)載量低、官能團兼容性較好、廣泛的底物種類等優(yōu)勢，能夠用于合成藥物分子、材料分子的衍生化。作者通過反應(yīng)機理研究，展示了該反應(yīng)的可見光驅(qū)動兩電子還原機理，具體通過連續(xù)單電子轉(zhuǎn)移（SSET）分別進行兩步單電子轉(zhuǎn)移生成自由基陰離子，分別與兩個CO2分子反應(yīng)。
圖1. 光催化烯烴雙羧酸化示意圖
背景
目前，可見光催化能夠以兩種催化反應(yīng)過程對烯烴進行雙官能團化：產(chǎn)生自由基加成到烯烴分子中，從而生成新碳中心自由基物種；通過單電子轉(zhuǎn)移過程將烯烴氧化，生成烯烴的自由基陽離子。對于烯烴、（雜）芳烴底物而言，通過可見光催化實現(xiàn)雙官能團化具有一定難度，這是因為烯烴、（雜）芳烴分子具有較高的還原電極電勢，同時存在還原反應(yīng)、自偶聯(lián)等競爭性副反應(yīng)。此外，該反應(yīng)的自由基中間體物種具有將親電性的偶聯(lián)分子進行還原的趨勢。
雙羧酸有機分子。丁二酸（succinic acid）等雙羧酸有機分子是天然產(chǎn)物有機分子、藥物分子、合成反應(yīng)中間體、聚合物分子前體分子等重要的結(jié)構(gòu)單元。因此，合成此類雙羧酸有機分子受到廣泛關(guān)注。
反應(yīng)設(shè)計
圖2. 反應(yīng)條件優(yōu)化
該方法學(xué)中具體通過連續(xù)單電子轉(zhuǎn)移（SSET）過程還原烯烴、對CO2的雙重親核進攻實現(xiàn)烯烴的雙羧酸化。
雙羧酸化反應(yīng)中的困難之處在于，光激發(fā)的方法生成烯烴的自由基陽離子中間體物種非常困難，生成的烯烴自由基容易發(fā)生自由基二聚反應(yīng)/通過摘氫反應(yīng)被還原等副反應(yīng)，而不是繼續(xù)進行第二步單電子還原。
作者通過優(yōu)化反應(yīng)條件，發(fā)現(xiàn)當(dāng)以4CzlPN作為光催化劑，iPr2NEt作為還原劑，Cs2CO3作為堿，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的反應(yīng)活性。控制實驗顯示，當(dāng)光催化劑選擇fac-Ir(ppy)3，反應(yīng)的產(chǎn)率僅為35 %。
兼容性
圖3. 部分雙羧酸反應(yīng)
作者首先考察了1,1-雙芳基烯烴的芳基兼容性，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)的芳基兼容OMe、SMe、F、COOMe、CF3、OCF3、Cl等取代基，而且該反應(yīng)方法學(xué)對芳烴的親電性并不敏感，對于芳基對位修飾給電子、電中性、缺電子基團的底物，該反應(yīng)都表現(xiàn)了兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)較好或者優(yōu)異的選擇性。當(dāng)芳基底物的間位、鄰位修飾官能團時，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對烯烴的雙官能團化。此外，作者發(fā)現(xiàn)本文方法學(xué)兼容萘、雜芳烴底物分子（比如噻吩、呋喃、苯并呋喃等）。同時，通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，雙芳基烯烴的還原電極電勢低于炔烴、惰性烯烴，因此該反應(yīng)中對活化的烯烴具有選擇性。
反應(yīng)機理
圖4. 反應(yīng)機理
有機光催化劑PC在光激發(fā)條件中生成激發(fā)態(tài)，隨后通過iPr2NEt2的單電子還原生成PC·-，隨后還原態(tài)有機光催化劑PC·-將烯烴原料分子還原為自由基陰離子，該烯烴陰離子自由基捕獲CO2后生成對應(yīng)的自由基羧酸陰離子中間體B，中間體B在另一個還原態(tài)PC·-作用中進行還原生成雙陰離子中間體C，該中間體C中的碳陰離子捕獲另一個CO2分子，從而生成含有兩個羧酸基團的雙羧酸產(chǎn)物。
反應(yīng)機理、中間體驗證。作者通過Stern–Volmer淬滅、UV-Vis光譜監(jiān)測實驗，驗證了激發(fā)態(tài)光催化劑PC*（*4CzlPN）與iPr2NEt2之間的單電子轉(zhuǎn)移是引發(fā)光催化的反應(yīng)。通過一系列控制實驗，對該反應(yīng)的可能中間體物種進行驗證：
當(dāng)含有環(huán)丙基的烯烴作為反應(yīng)物，同時不加入CO2氣氛，反應(yīng)中生成環(huán)丙烷基開環(huán)的產(chǎn)物，說明該反應(yīng)中以自由基過程進行；
當(dāng)二芳基乙烯底物不加入CO2氣氛而使用N2氣氛，同時加入20倍量D2O，該反應(yīng)的雙鍵發(fā)生還原，而且還原的雙鍵位點上分別加成72 %、80 %的D原子；
當(dāng)烯烴原料分子上修飾一個F原子，在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件中，反應(yīng)過程中通過消除β-F鍵生成羧酸，說明該反應(yīng)過程中烯烴自由基陰離子是重要的反應(yīng)中間體。在雙芳基烯烴的正常反應(yīng)中，分別加入6倍、40倍D2O，產(chǎn)物中雙羧酸產(chǎn)物的產(chǎn)量顯著降低，同時芐基位點中在6倍、40倍D2O的條件中分別修飾36 %、88 % D原子，產(chǎn)率分別為20 %、39 %。
參考文獻(xiàn)及原文鏈接
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
