甲酸(FA)是一种含量丰富的商品化学品，广泛用作工业和实验室有机合成的原料。近年来，利用生物质降解和CO2加氢制取FA的新方法已经建立起来。在这种背景下，FA被认为是一种很有前途的氢载体和绿色的C1源。与有毒和易燃的一氧化碳(CO)气体相比，FA更容易处理、储存和运输。因此，无论是实验室合成还是工业生产，它都是一种理想的绿色羰基资源。到目前为止，利用FA作为羧化的羰基源最流行的方法是通过添加酸、酸酐或脱水剂原位生成CO或混合酸酐(图1a)。然而，使用添加剂阻碍了这些体系的广泛使用，因为它们经济性低，成本高。Iwasawa及其同事报道了一种巧妙的无添加剂的烯烃氢羧化反应方法，该方法使用甲酸盐，以PGeP-钳形Pd络合物为催化剂(图1b)。然而，对特殊催化剂的要求阻碍了该方法的应用。因此，为了实现FA在羧化反应中的高效利用，迫切需要一种新的FA活化方式。
最近，光催化已经成为一种有用的工具，可以通过单电子转移和能量转移过程实现前所未有的转化。尽管已经成功地揭示了利用N取代甲酰胺和烷基甲酸酯等FA衍生物通过氨甲酰基和烷氧羰基中间体进行的光诱导羰基化反应，直接以FA为羰基来源的光促进羧基化反应仍然很少见。二氧化碳自由基阴离子(CO2·−)(E1/2=−2.2V vs SCE)已被证明是降解有机物和还原金属离子的有效还原剂。然而，CO2·−很少用于有机合成。 2017年，詹姆逊和他的同事证明，二氧化碳还原产生的CO2·−可以作为活性中间体参与胺和烯烃的羧化反应。因此，考虑到光诱导氢原子转移(HAT)激活C-H键的显著效率，作者认为通过HAT将甲酸盐[HCOO-的BDE，8.6kcal/−]转化为CO2·-可能是实现FA在羧化反应中高效利用的有效途径。在这些工作的启发下，作者预计甲酸盐的氧化可能会在原位生成高活性的羧基自由基物种[RO−H键的BDE，105 kcal/mol]它可以从盐中提取氢，从而得到所需的CO2·-。
近日，来自南京理工大学的李斌栋研究员课题组报道了一种光催化的烯烃的氢羧基化反应。以1，1-二苯基乙烯(1a)为模型底物，甲酸铯为羰基来源的研究。令我们高兴的是，在非ad-hat催化剂Ir[(Ppy){attr}3161{/attr}tbbpy]PF6的作用下，氢羧化反应进行得很顺利(表1，条目1)。值得注意的是，有机光催化剂，如荧光素、孟加拉玫瑰色、曙红B和4CzIPN也可以催化转化(条目3−6)。其中曙红B的产率最高(92%)。
以曙红B为光催化剂，对其他条件进行了优化(表2)。其他甲酸盐，如HCOOK、HCOOLi和HCOONH4可以作为羰基来源，但这些反应物的产率较低(条目2−6)。接着对温度，碱的量，溶剂进行了筛选，同时进行了一系列的对照实验，最终得到了最佳条件。
通过筛选出的最佳条件，作者对底物范围进行了考察，首先是烯烃氢羧化反应的底物范围。如图2所示，大量烯烃可以很好到很好的产率转化为相应的酸。含给电子基和苯基的1，1-二芳基乙烯易发生转化(2b−2e)。三氟甲基、氯和氟等吸电子基团耐受性良好(2g−2k)。溴取代的底物或产物会被还原。此外，α，β-不饱和酯与HCOOC反应平稳，以中等至良好的产率生成了有用的单烷基丁二酸酯(2M−2t)。然而，当活性较低的简单苯乙烯进行该反应时，没有得到任何产物。有趣的是，通过将光催化剂改为Ir[(Ppy)2dtbbpy]PF6，与苯乙烯的氢羧化反应进行得很顺利(图3)。
因此，作者使用该催化剂对苯乙烯类型的底物范围进行了考察，苯环上有一个或多个取代基的苯乙烯可以进行氢羧化(图3)。给电子基(如甲基、甲氧基、甲硫基)和吸电子基团(包括F、Cl、CF3和CN)均可耐受(2u−2ae)。除苯乙烯底物外，含有不同吸电子基团的烯烃(包括酰胺、氰基和酯)可以顺利地转化为相应的酸(2al−2an)。
此外，该方法被应用于生物相关复杂分子和几种候选药物的后期合成精制(图4)。例如，紫苏醇衍生物的氢羧化反应以80%的产率(2AO)得到相应的产物。当我们以乙酰基保护的异丁香酚为底物时，酚羟基和氢羧化同时发生，2aqin的产率为58%。为了证明这一策略的实用性，还使用1h作为底物进行了克级实验，以91%的收率(1.19g)提供了所需的产品(图5)。
为了深入了解甲酸盐活化和氢羧化的机理，进行了各种对照实验。在蓝光(440 nm)照射下，测试了曙红B在HCOOCs存在下的吸收。记录了一个新的最大吸收波长(520 nm，比较：原始λmaxabs = 534 nm)，并在580 nm处出现了一个新的峰，表明催化剂(PC−)产生了还原态(图6a)。Stern−Volmer猝灭研究结果表明，HCOOC还原激发的光催化剂可能是引发过程(图6b)，烯烃不能猝灭激发的催化剂(图6c)。作者还测试了Ir[(Ppy)2dtbbpy]PF6，在540nm处出现了一个新的峰，这与以前报道的[Ir(Dtbby)·−(Ppy)2]物种的结果一致(图6d)。当在1b的反应中加入10当量的D2O时，用曙红B和Ir[(Ppy)2dtbbpy]PF6分别得到了2b和40%的氘掺入。当D2O用量增加到50当量时，氘的掺入量分别增加到55%和57%。这些结果表明苄基碳负离子中间体的生成(图7a)。考虑到HCOOCs和DMSO都很容易吸收空气中的水分，作者认为这部分H2O可能作为质子源对反应有贡献。然后，对DCOOCs进行1取代HCOOCs的转化，用曙红B也可以得到氘掺入产物2，提示苄基位置的部分氢可能来自甲酸盐。当以DMSO-D6为溶剂时，产物中未观察到氘的掺入，说明DMSO在反应中不起氢原子或质子源的作用。氢化产物是烯烃氢羧化反应的主要副产物。作者怀疑连续的光致电子转移(conPET)可能会发生，通过烯烃还原生成碳自由基阴离子物种。为了检查碳自由基阴离子中间体(图7b)是否存在，将1b与D2O的反应放大到1 mmol，并分离出副产物3b，在α和β位置分别掺入50%和12%的氘。值得注意的是，还得到了4b，可能是因为增加了1个带的甲基自由基，这是由二甲基亚砜分解而来的(图7b)。在标准反应条件下，以1av为底物进行了自由基时钟实验，开环产物2ave的产率为11%。在曙红B和Ir[(Ppy)2dtbbpy]PF6催化下，1a的氢羧化反应的量子产率(Φ)分别为0.59 dtbbpy和0.41 dtbbpy。我们认为光催化转化是这一过程的主要机理。然而，不能完全排除链条机制。
根据对照实验的结果，提出了两种可能的机制(图8)。
综上所述，作者开发了一种新的FA的无添加剂激活模式。利用甲酸盐作为还原剂、羰基源和HAT试剂，在蓝光照射下可以将一系列烯烃转化为具有附加值的酸产品。该方法具有良好的工业应用前景。机理研究表明，自由基阴离子物种(CO2·−和碳自由基阴离子)是转化的关键中间体。这一方法可能会为羧化过程的绿色升级开辟一条新的途径。
DOI:10.1021/acscatal.1c04684
