JACS：連續流光氧化還原催化苯乙烯和CO2的β-選擇性氫羧基化

最新 10-05

CO2參與的直接羧化反應可以獲得有價值的羧酸化合物，而不需要經歷傳統的甲醯化和氧化過程。然而，CO2的動力學和熱力學穩定性很高，使得反應中需要使用親核有機金屬底物或者苛刻的條件。為了解決這一問題，過渡金屬催化不飽和烴的氫羧基化方法應運而生。儘管過渡金屬催化的優勢很多，相關反應也有限制性，即往往需要使用高能量的還原劑。而光氧化還原催化的方法可以突破這些限制。

CO2直接羧化的另一個挑戰是獲得反馬氏產物的方法有限。如圖1a所示的過渡金屬催化反應，由於過程中生成更穩定的η3苄基金屬組分，所得產物α-羧酸為馬氏產物。

圖1. 苯乙烯和CO2的直接氫羧基化

來源：J. Am. Chem. Soc.

近日，來自麻省理工學院的Timothy F. Jamison團隊在J. Am. Chem. Soc.上發表論文，報道了苯乙烯氫羧基化新方法。在叔胺還原劑和1個標準大氣壓CO2的存在下，通過連續流光氧化還原催化，可以得到反馬氏的β-羧酸（圖1b）。

Timothy F. Jamison教授

來源：MIT- The Jamison Research Group

如圖2所示，連續流裝置中為包含苯乙烯、光氧化還原催化劑（p-三聯苯）、還原劑和反應助劑的DMF溶液（0.15 M），以及由質量流量控制器（mass flow controller，MFC）控制的CO2。反應各組分混合後，被 UV光反應器（500 W Hg(Xe)燈）照射。由於混合更充分，路徑更短，兩相光化學反應在連續流中進行比在傳統的間歇系統中更高效。

圖2. 連續流光化學系統

來源：J. Am. Chem. Soc.

首先，作者以苯乙烯1a為反應底物，篩選了不同的還原劑和反應助劑（圖3）。實驗結果顯示，在2當量1,2,2,6,6-五甲基哌啶（PMP）和19當量H2O的存在下，目標產物2a的產率可達到87%。同樣的底物和試劑參數在間歇系統中反應，產率下降至36%，不過單/雙羧基化的選擇性很高。

圖3. 反應條件篩選

來源：J. Am. Chem. Soc.

接下來，作者對反應底物進行了拓展。含不同取代基的苯乙烯、吲哚乙烯、苯並呋喃乙烯等端末苯乙烯，以及一系列α，β-取代苯乙烯，都能以不錯的產率得到氫羧基化產物（圖4,5）。

圖4. 底物拓展（末端苯乙烯）

來源：J. Am. Chem. Soc.

圖5. 底物拓展（α，β-取代苯乙烯）

來源：J. Am. Chem. Soc.

為了研究反應機理，作者設計了對照實驗和同位素氘標記實驗（圖6）。對照實驗表明，在沒有PMP的反應條件下，不能生成目標產物，也不消耗原料；而在沒有CO2的反應條件下，同樣沒有檢測到目標產物，但原料苯乙烯的轉化率為88%，生成乙苯。各組分的電化學性質可以對實驗結果提供理論依據。苯乙烯在DMF中的還原電勢為E1/2 = ?2.58 V vs SCE，在沒有CO2存在下，完全可以被p-三聯苯的陰離子自由基（E0= ?2.63 V vs SCE in DMF）還原成乙苯。而CO2（E0 = ?2.21 V vs SCE in DMF）存在的情況下，將不生成乙苯。從氘標記實驗可知，加成到雙鍵上的氫來自於H2O。

圖6. 機理研究實驗

來源：J. Am. Chem. Soc.

基於以上實驗結果，作者給出了反應機理（圖7）。光氧化還原催化劑p-三聯苯（6）被激發後產生單重激發態6*，與PMP經過單電子轉移過程得到具有強還原性的p-三聯苯陰離子自由基6??，以及PMP陽離子自由基（光氧化還原循環A）。CO2被6??還原成陰離子自由基之後，加成到苯乙烯的β-位，生成穩定的苄基自由基中間體7，再進一步被還原成苄基陰離子8。最後，經H2O的質子化作用得到氫羧基化產物9。