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

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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，四川大学化学学院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。
       文章来源：四川大学
         余达刚教授目前就职于四川大学化学学院，绿色化学与技术教育部重点实验室。2007年，以 “优秀毕业生”的身份毕业本科于四川大学化学学院。同年进入北京大学化学与分子工程学院，师从施章杰教授。2012年起，德国明斯特大学从事博士后研究（洪堡学者），导师为Frank Glorius教授。2015年1月开始，在四川大学化学学院，担任教授，博士生导师。主要研究方向包括：绿色有机合成化学（二氧化碳利用）、过渡金属催化方法学（铜、铁等廉价金属催化）、功能分子构建新方法研究（杂环、羧酸合成）等。近几年来，在二氧化碳参与的有机化学反应研究方面取得了可喜进展，在国内外重要学术刊物上发表近50篇高水平论文。近年来获得霍英东青年教师基金、 “Asian Journal of Organic Chemistry” Early Career Researchers in China、2017 ACP Lectureship Awards to Japan、2017 Thieme Chemistry Journal Award、2017年四川大学优秀本科毕业论文二等奖指导教师、2016年四川大学青年科技人才奖、2016年四川大学优秀本科毕业论文一等奖指导教师、2016 “Organic Chemistry Frontiers” Emerging Investigators、2013年Reaxys PhD Prize (Finalist)、2012年陶氏化学可持续发展创新奖(特等奖)、2012年北京大学“学术十杰”、化学与分子工程学院优秀博士论文、2011年SciFinder Recognition in Excellence Program for OMCOS16、2011年北京大学化学与分子工程学院“化学之星”、2010年北京大学“三好学生”、“常青特等奖学金”  多种学术奖励。
        叶剑衡博士主要围绕二氧化碳（CO2）化学和可见光化学这两个重要研究领域的关键科学问题“如何在温和条件下实现高效高选择性转化”开展创新研究，发展了“自由基型CO2有机转化”新模式和“可见光促进CO2单电子活化”新策略，高效实现了CO2和碳氟键活化，调控了可见光化学诱导高活性中间体生成及反应的选择性，在温和条件下开发了若干具有重要价值的新反应，合成了一系列羰基杂环和羧酸等潜在生理活性分子、有机硼和有机氟化物等高附加值产品，并通过机理实验和理论计算研究阐明了反应机制。申请人已发表学术论文35篇，H指数26。其中，以（共同）第一作者和通讯作者身份发表学术论文13篇，包括1篇Acc. Chem. Res.（封面）、1篇JACS、4篇ACIE、1篇CCS Chem.和1篇Trend Chem.。