JACS：Ni催化CO2对1,3-二烯的选择性双羧基化反应

‍‍‍‍

发展高效构建C-C键的方法一直以来都是有机合成方法学领域研究的目标之一。与传统的取代、加成等反应相比，将来源丰富的CO₂作为C1合成子用于构建C-C键无疑更具有吸引力。在不使用化学计量有机金属试剂的前提下，将CO₂区域选择性地引入烯烃中成为合成羧酸的重要方法，尽管这类反应已经发展得较为成熟，然而目前仅局限于CO₂的单次插入过程，最终在分子中引入单个羧基。如何通过催化反应在分子中引入多个CO₂构建多羧酸结构成为研究者关注的问题。

西班牙加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）的Ruben Martin教授课题组一直致力于过渡金属催化CO₂活化及转化反应的研究。基于以往的工作，作者尝试从1,3-丁二烯出发，在过渡金属催化剂的作用下，通过CO₂的两次区域选择性插入来制备己二酸，这种物质是合成塑料及黏合剂的重要原料。如果这一设想可以成功实现，将进一步推动1,3-二烯催化双官能化研究的进展。但看似精彩的设计也面临着如下挑战：（1）1,3-二烯易于发生调节聚合反应；（2）反应往往会得到单、双羧基官能化的混合物，且无法进行有效的控制。为了实现这一过程，作者尝试在体系中阻断负氢来源，完成第一分子CO₂插入后，另一分子的CO₂可区域选择性地对形成的活性中间体I再次插入，随后在还原剂的作用下再次形成Ni(0)催化剂完成催化循环，最终实现了标准大气压CO₂的氛围下CO₂的两次区域选择性插入，高效地得到二羧酸产物。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc. 上。

图1. 烯烃C=C键的羧化反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者选择1,3-二烯1a作为模板底物对反应条件进行筛选，在标准大气压CO₂的氛围下，使用NiBr₄(TBA)₂作为催化剂、L7作为配体、Mn用作还原剂，反应以DMA作为溶剂，在50 ℃的条件下能以74%的收率、2.4:1的Z/E构型比得到二羧酸产物2a。

图2. 反应条件的优化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

在最优条件下，作者对底物的适用范围进行了考察。为了避免分离纯化困难，作者将反应结束后的二羧酸产物进行原位酯化、烯烃双键还原，以得到的己二酸酯衍生物进行定量。不同取代基修饰的1,3-二烯结构都可以顺利地参与反应。酯基（3j, 3k）、氰基（3m）、羰基（3p）和酰胺（3q）等官能团在该体系中都可以很好地兼容。值得一提的是，Ni催化剂的作用下C-O键往往容易断裂，但在该体系中酯基OPiv（3k）却不会受到影响，可用于产物的进一步衍生化。

图3. Ni催化1,3-二烯的1,4-二羧基化反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

除了结构复杂的1,3-二烯外，作者还尝试将该方法应用到1,3-丁二烯、异戊二烯和戊间二烯等简单分子的双羧基化反应中，最终分别以61%、63%和65%的收率得到目标二羧酸产物。

图4. Ni催化简单二烯分子的1,4-双羧基化反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

为了深入了解反应的机理，作者还设计了一系列的探索实验。首先，他们以环己二烯10作为底物在标准条件下参与反应，主要得到反式的产物，由此说明CO₂的第二次插入可能通过π-烯丙基Ni中间体形式上的背面进攻来完成，但无法排除CO₂插入前发生π-烯丙基Ni物种互变异构的转化。作者进一步尝试确证反应中可能的中间体，研究Ni-1物种的反应活性。制备得到的Ni-1无法与1a、CO₂反应得到目标产物，由此证明反应可能不是经由Ni-1中间体，COD作为非无辜配体在反应中发挥一定的作用。作者还尝试制备L7配位的π-烯丙基中间体I，但以失败告终。作者转而合成类似结构的中间体Ni-2，并将Ni-2引入标准反应体系，能以37%的收率得到目标产物2a。目前，反应具体的机理尚不明确，仍需进一步的探究。

图5. 反应机理的研究。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

——总结——

Ruben Martin教授团队在Ni催化剂作用下，实现了标准大气压CO₂的氛围下CO₂高选择性地对1,3-二烯进行两次插入，由此构建多种己二酸结构。反应的条件温和，具有理想的产率和区域选择性，官能团兼容性好。作者将继续深入研究该反应的机理，并进一步发展不对称的催化过程。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Ni-Catalyzed Site-Selective Dicarboxylation of 1,3-Dienes with CO₂

J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.7b13220

导师介绍

Ruben Martin

http://www.x-mol.com/university/faculty/44773

本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！

长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！

点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊