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科研进展

余达刚/叶剑衡课题组实现电化学促进CO2参与非活化非共轭二烯的双羧基化反应

访问量:发布时间:2023-04-04

二氧化碳(CO2)既是人们熟知的温室气体,也是一种重要的碳资源,具有储量丰富、无毒且可循环再生等优点。利用廉价易得的烯烃与CO2发生羧基化反应,高效合成具有高附加值的羧酸化合物,是实现CO2高值化利用的重要途径。其中,CO2参与的烯烃双羧基化反应能够合成在高分子材料与生物医药等领域具有广泛用途的二酸单体,具有重要研究价值。然而,目前CO2参与的烯烃双羧基化反应的底物主要局限于活化烯烃,如苯乙烯、丙烯酸酯、联烯和1,3-二烯类等。相比而言,非活化非共轭二烯虽然广泛存在且容易制备,但由于活性低,难以和CO2反应生成高附加值的二酸产物。因此,开发新策略实现CO2参与的非活化非共轭二烯双羧基化反应,具有重要意义。

另一方面,电化学作为一种强力的有机合成技术,因其绿色、可控和高效等优点备受关注。人们可以通过调控电解参数,选择理想的氧化还原电位,实现一系列惰性分子的选择性活化,在温和条件下产生高活性中间体,实现重要化学转化。利用电化学体系,人们不仅可以电还原CO2为能源分子,还可以通过调控还原电位,选择性实现电羧基化反应。由于CO2还原电位比非活化烯烃低,在阴极能优先发生电还原,产生高活性CO2自由基负离子。然而,CO2自由基负离子是亲核性自由基物种,其对富电子非活化烯烃的加成属于极性错配过程,且涉及的自由基中间体还可能发生多种副反应。因此高效、高选择性地实现该类反应面临重要挑战。

针对以上问题,余达刚教授和叶剑衡研究员课题组在前期利用电促进CO2转化研究工作(Nat. Commun. 2021, 12, 7086; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2062; Nature 2023, 615, 67基础上,开发了高效的电还原体系,成功实现了电化学促进CO2参与非活化非共轭二烯的双羧基化反应。该体系的底物适用范围广,可以在温和条件下实现一系列非共轭二烯的双羧基化反应,精准高效地合成了多种环状二酸单体。基于该方法,该团队合成了磷酸二酯酶4型酶(PDE4)抑制剂同系物,效率和产量都比传统合成路径更高。此外,合成的二酸单体不仅可以作为微交联剂实现对聚己二酸丁二醇酯(PBA)的改性,还能合成具有优良热稳定性的新型高分子聚合材料。此外,该课题组对反应机理进行了深入探究,并与蓝宇教授课题组合作,通过DFT理论计算验证了反应的关键中间体,并提出了如下可能的反应机理:CO2在阴极发生单电子还原,形成高活性的CO2自由基负离子,进而与非活化烯烃反应形成羧基化自由基中间体,自由基环化后生成的碳自由基被还原形成碳负离子,亲核进攻另一分子CO2,后处理过程中通过酸化得到重要二酸产物。

总的来说,该研究利用温室气体CO2作为羧基源,利用电还原体系成功实现了一系列非活化非共轭二烯的双羧基化反应。该研究不仅实现了两分子CO2的同时利用,还实现了多种新型二酸单体的精准合成,并探究了这些二酸单体在高分子聚合材料和生物活性分子合成中的应用,为开发CO2自由基负离子与惰性底物的新型化学转化提供了新思路。

该研究以题为“Electroreductive Dicarboxylation of Unactivated Skipped Dienes with CO2发表于《Angewandte Chemie International Edition》(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301892. 文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202301892)。四川大学为第一单位,化学学院余达刚教授/叶剑衡研究员和蓝宇教授为共同通讯作者,澳门十三第官网登录2022届张伟博士和重庆大学弘深青年教师廖黎丽博士为共同第一作者。特别感谢国家自然科学基金委、四川省科技厅、四川大学的经费支持。

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