无过渡金属光催化：碳碳键的CO2解构羧化

近日，科学家们在CO₂催化中取得重要突破，成功实现了无过渡金属参与的碳碳键解构羧化，从而高效合成羧酸。相较于碳杂原子键的催化，碳碳键的解构羧化一直是个难题，因为其轨道方向性相对不利于与过渡金属发生相互作用。作者在此报告了一种光催化的方案，能够在无过渡金属的情况下实现烯烃的CO₂解构羧化，生成羧酸。值得强调的是，作者的方案在使用末端烯烃时，能够提供碳数明显不变的羧酸产物。为展示这一策略的强大威力，作者展示了一系列与药物有关的应用，包括丙酸类非甾体抗炎药的模块合成和生物活性分子衍生物的晚期羧化。

重要的碳碳键解构羧化

羧酸是合成制药品、农药、塑料和化妆品等的最常见且重要的构建块之一。与传统的制备羧酸的方法相比，如醇的氧化、腈的水解以及有机卤化物或烯烃的羰基化等，利用CO₂进行催化羧化具有低毒性、丰富性和易获取性等优势，因此是一种直接而有前景的替代方法。

当前的CO₂直接羧化策略包括有机卤化物的σ键裂解，碳硼、碳氮、碳氧试剂的裂解，甚至碳氢化合物的裂解。此外，基于烯烃、炔烃、酮和亚胺等不饱和键的固有反应性，也可以通过裂解π键实现其位选择性羧化。然而，这些已知方法往往依赖于碳杂原子键，从而可能限制它们在复杂产物的晚期修饰中的应用。相比之下，碳碳键的解构羧化的发展将是非常有用的，因为它们作为有机化合物中的基本键存在。然而，由于碳碳键对于与过渡金属相互作用的轨道方向性相对不利，再加上CO₂的动力学惰性和热力学稳定性，碳碳键的裂解仍然是一个长期存在的挑战。此外，生成的羧酸可能会发生脱羧反应，导致不良的转化。为此，作者力图开发一种机理上独特的策略，提供一种通用途径，实现碳碳双键（C=C）的解构羧化。

图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

可见光介导的解构羧化

对C=C键的裂解和重组已经成为增加有机分子复杂性的有力转化之一。正如经典的烯烃转化反应所示，π键首先通过金属催化的环加成裂解，然后通过裂解活化的σ键生成环加成产物。作者认为，这种激活模式在最初阶段可以用于结合烯烃和CO₂，而后续的β-氢消除主要通过C-C σ键裂解进行。考虑到自由基可以诱导C-C σ键的裂解，而烯烃已广泛开发为良好的自由基受体，作者相信引入自由基不仅可以促进烯烃和CO₂的偶联，还可以使随后的C-C σ键裂解成为可能，从而实现烯烃的CO₂解构羧化。作者设想，由于三级胺（2）在温和的氧化条件下可轻松转化为氮的α-位置的自由基，因此它们可能非常适合作者提出的基于自由基介导的烯烃的解构羧化（方案1c）。随后，由预先形成的自由基加成物（6•）还原生成γ-氨基酸（7），并在与CO₂的捕获后进一步氧化，再生氮的α-位置自由基（7•），从而提供触发C-C σ键裂解的机会。虽然氨基自由基阳离子介导的C-C σ键裂解已经得到很好的记录，但令人瞩目的是这些过程主要发生在由亚胺阳离子形成驱动的Cα-Cβ裂解上。据作者所知，尚未有关于裂解氨基自由基阳离子物种的Cβ-Cγ键的报道，而这是烯烃解构羧化的关键部分。为了实现这一目标，作者报告了一种可见光介导的转化，克服了这一挑战，实现了烯烃与CO₂的广泛适用性的羧化，高效产生相应的羧酸。显然，在传统的CO₂羧化中，通常会增加碳数，然而作者实现了将烯烃的碳与二氧化碳进行交换，从而在使用末端烯烃时提供了碳数不变的羧酸。

图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

实验证明可行性

作为概念验证的研究，作者首先以苯乙烯为底物进行了CO₂的羧化研究，因为产生的苯乙酸已广泛用于镇痛药物的合成。在对不同溶剂、光催化剂和胺进行了广泛筛选后，作者确定了在N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）中，采用蓝光发光二极管（LED）照射苯乙烯（10s）、N,N-二环己甲基胺（2a，MeNCy₂）和1,3-二氰基-2,4,5,6-四取代二苯胺-苯（3a，4DPAIPN）作为光催化剂，在25°C下，产生苯乙酸的产率达到了75%。1.5当量的MeNCy2足以完成该转化，而较低的MeNCy2负载降低了效率。对照实验证实了该转化的每个组分对于成功进行的必不可少性。