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（圖片來(lái)源：Nature Catalysis）

光合作用是利用光能使二氧化碳(CO₂)和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物和氧氣的重要過(guò)程。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，化學(xué)家們一直在效仿大自然，利用光催化來(lái)實(shí)現(xiàn)其它策略難以實(shí)現(xiàn)的化學(xué)轉(zhuǎn)化。除了紫外光驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)過(guò)程外，可見(jiàn)光催化由于具有條件溫和、官能團(tuán)兼容性好等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)惰性鍵活化的有力工具。

由于CO₂具有含量豐富、簡(jiǎn)單易得、毒性低等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為化學(xué)合成中理想的碳源。近些年，利用可見(jiàn)光催化實(shí)現(xiàn)二氧化碳的合成轉(zhuǎn)化引起了化學(xué)家們的廣泛關(guān)注。除了利用燃料分子和大宗化學(xué)品的還原之外，使用可見(jiàn)光催化二氧化碳參與的羧基化反應(yīng)（雙電子活化模式）是合成具有較高實(shí)用價(jià)值的羧酸及其衍生物的有效手段，并在制藥和高分子工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。雖然通過(guò)CO₂的直接單電子還原生成的CO₂自由基陰離子(CO₂^??)可以為多樣的化學(xué)選擇性和區(qū)域選擇性轉(zhuǎn)化提供新的策略，但由于CO₂具有較高的還原電位以及CO2^??的不穩(wěn)定性，使得其很少應(yīng)用在在光催化的羧基化反應(yīng)中（Fig. 1a）。

由于烯烴可以從大宗化學(xué)品中獲得且碳碳雙鍵為有機(jī)化合物中最常見(jiàn)的官能團(tuán)，因此烯烴是在可見(jiàn)光催化CO₂參與的羧基化反應(yīng)中研究最多的分子。目前，化學(xué)家已經(jīng)發(fā)展了多種光催化體系，以不同化學(xué)選擇性和區(qū)域選擇性實(shí)現(xiàn)了從烯烴到多樣羧酸的制備。然而，這些反應(yīng)大多僅限于活化烯烴，如苯乙烯和丙烯酸酯等（Fig. 1b,1c）。相反，烷基烯烴（非活化烯烴）由于具有低活性和難以控制選擇性等問(wèn)題則很少應(yīng)用在可見(jiàn)光催化的CO₂參與的羧基化反應(yīng)中。

最近，四川大學(xué)余達(dá)剛課題組實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光催化CO?與非活化烯烴的雙羧基化和氫-羧基化反應(yīng)。在溫和的反應(yīng)條件下，多種非活化烯烴可以經(jīng)歷此選擇性羧基化過(guò)程，以中等至良好的產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的羧酸、二羧酸以及非天然α-氨基酸衍生物的合成。反應(yīng)機(jī)理涉及CO₂通過(guò)連續(xù)光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程被還原為CO₂^??，隨后此物種進(jìn)攻非活化烯烴以及后續(xù)的氫原子轉(zhuǎn)移等相關(guān)過(guò)程得到相應(yīng)的產(chǎn)物（Fig. 1e）。此外，DFT計(jì)算表明，無(wú)論是從熱力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)上來(lái)看，CO₂^??與活化烯烴的自由基加成比與非活化烯烴自由基加成無(wú)論在熱力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)上均更有利，因此證明此過(guò)程具有一定的挑戰(zhàn)性（Fig. 1d）。

（圖片來(lái)源：Nature Catalysis）

首先，作者以非活化烯烴1a作為模板底物進(jìn)行條件篩選。發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用fac-Ir(ppy)₃（1 mol%）作為光催化劑，Cs₂CO₃（4.5 equiv）作堿，Cy₂NEt（2.5 equiv）作為電子給體，DMSO（0.1M）作溶劑，在1 atm CO₂存在下，藍(lán)光引發(fā)，室溫反應(yīng)48小時(shí)可以以78%的產(chǎn)率得到目標(biāo)1,7-雙羧基化產(chǎn)物2a。且控制實(shí)驗(yàn)表明，體系中的可見(jiàn)光、光催化劑、Cy₂NEt、Cs₂CO₃以及CO₂均為高產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物合成的重要因素。

在得到了最優(yōu)條件后，作者對(duì)此1,7-雙羧基化反應(yīng)中非活化烯烴1的底物范圍進(jìn)行了探索（Fig. 2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一系列烷基鏈上的不同取代均可兼容，且具有偕二乙氧基羰基的產(chǎn)物（2a）產(chǎn)率最佳（78%）。并且當(dāng)反應(yīng)放大至4.0 mmol規(guī)模時(shí)仍可以以64%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物。芳環(huán)上具有不同吸電子基和給電子基的底物（1h-1q）也均可兼容此體系，以中等至良好的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。值得注意的是，一些具有重要應(yīng)用價(jià)值的官能團(tuán)，如C-F鍵（1i, 1m-1p）、羧酸（1j）、酰胺（1k）等均可兼容，這為產(chǎn)物的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化提供了機(jī)會(huì)。遺憾的是，可能是由于立體位阻的影響，芳環(huán)上含有鄰位取代基時(shí)產(chǎn)物的產(chǎn)率較低（1l, 1m, 1n）。除此之外，含有氧雜蒽骨架的原料1r也可以順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，以42%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物。

隨后，作者利用含有芐位C-H的非活化烯烴3，通過(guò)分子內(nèi)1,5-HAT過(guò)程可以順利實(shí)現(xiàn)1,6-雙羧基化產(chǎn)物的合成。并且此雙羧基化過(guò)程并不受烷基鏈取代的影響（3a-3c）。此外，芳基上的不同官能團(tuán)，如酰胺（3d）、腈（3e）、酯（3f, 3g, 3i, 3j）以及羧酸（3h）均可兼容。值得注意的是，具有復(fù)雜天然產(chǎn)物骨架的底物，如pregnenolone （3i）和L-menthol （3j）也可以分別以52%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。接下來(lái)，基于非天然α-氨基酸衍生物的重要性，作者還實(shí)現(xiàn)了鄰位烯丙基取代的芐胺衍生物（5a-5r）的雙羧基化反應(yīng)。且此過(guò)程可以同樣具有良好的官能團(tuán)兼容性，如甲氧基（5d, 5i, 5o）、羧酸（5f）、酯（5g）、酰胺（5h）、苯氧基（5j）、C-F鍵（5e, 5n）等均可兼容此反應(yīng)。值得注意的是，此轉(zhuǎn)化不受芳環(huán)鄰位取代基的限制（5m, 5n）。除了α-氨基酸衍生物外，利用此方法還可以以中等至良好的產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)含有季碳中心羧酸（6s-6u）的合成，并且此類化合物用其它方法較難獲得（Fig. 2）。

（圖片來(lái)源：Nature Catalysis）

除了利用分子內(nèi)的HAT過(guò)程實(shí)現(xiàn)雙羧基化以外，作者還進(jìn)一步探索了非活化烯烴的氫-羧基化反應(yīng)（Fig. 3）。高興的是，稍微改變一下反應(yīng)條件，作者可以順利實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光催化非活化烯烴與CO₂的氫-羧基化過(guò)程，以中等至良好的產(chǎn)率得到相應(yīng)的反馬氏規(guī)則（anti-Markovnikov）產(chǎn)物。反應(yīng)可以兼容不同鏈長(zhǎng)和取代的非活化烯烴。此外，一些具有較大應(yīng)用價(jià)值的官能團(tuán)，如酰胺（7i, 7p, 7q）、酯（7m-7o）、羥基（7v）以及雜環(huán)（7f, 7j, 7q）等均可兼容。值得注意的是，此反應(yīng)可以高選擇性的實(shí)現(xiàn)端烯的轉(zhuǎn)化，而分子內(nèi)存在的內(nèi)烯部分則可以在此還原體系內(nèi)兼容（7r, 7x, 7aa）。此外，此反應(yīng)策略還可以實(shí)現(xiàn)藥物衍生物的后期修飾，得到產(chǎn)物8v-8aa。除了單取代烯烴之外，偕二烷基烯烴也可以作為合適的底物實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)化，以中等產(chǎn)率得到相應(yīng)的羧酸（8ab-8af）。為了進(jìn)一步證明此方法的通用性，作者利用工業(yè)上得到的混合烯烴和烷烴參與反應(yīng)，其可以選擇性的實(shí)現(xiàn)端烯的轉(zhuǎn)化得到產(chǎn)物8ag和8ah。對(duì)于廣泛應(yīng)用的大宗化學(xué)品丙烯也可以利用此方法實(shí)現(xiàn)重要的丁酸衍生物8ai的合成。此外，對(duì)于7o，當(dāng)將反應(yīng)放大至10.0 mmol規(guī)模時(shí)，仍可以以61%的產(chǎn)率得到8o。

（圖片來(lái)源：Nature Catalysis）

為了深入理解反應(yīng)機(jī)理，作者進(jìn)行了一系列控制實(shí)驗(yàn)（Fig. 4）。首先，在自由基捕獲劑TEMPO或PhSeSePh存在下，作者并未觀察到目標(biāo)產(chǎn)物的生成并幾乎全部回收起始原料1a，表明反應(yīng)中可能涉及自由基中間體（Fig. 4a）。隨后，作者利用[D₂]-3c參與反應(yīng)，可以發(fā)生全部的氘原子轉(zhuǎn)移，得到相應(yīng)的產(chǎn)物[D₂]-4c。這表明反應(yīng)中涉及分子內(nèi)的HAT過(guò)程（Fig. 4b）。接下來(lái)， 分子間（KIE = 3.0）和分子內(nèi)（KIE = 4.56）KIE（kinetic isotope effect）實(shí)驗(yàn)表明分子內(nèi)的HAT可能為反應(yīng)的決速步驟（Fig. 4c, 4d）。當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)條件下加入氘代甲醇時(shí)可以觀察到芐位的氫被部分氘代，表明反應(yīng)中可能涉及芐位碳負(fù)離子中間體（Fig. 4e）。此外，作者通過(guò)在存在或不存在烯烴1a的條件下分別監(jiān)測(cè)HCO₂^?與(C₂O₄)^2?的形成，得出CO₂可能會(huì)在還原條件下被還原，由此也進(jìn)一步證明了CO₂^??的形成（Fig. 4f）。

（圖片來(lái)源：Nature Catalysis）