铜催化下路易斯酸碱对促进的CO2活化实现亚胺的双官能化

二氧化碳（CO₂）是一种储量丰富、廉价易得的可再生碳源。虽然CO₂作为碳一合成子存在固有的热力学及动力学稳定性局限，但开发可将CO₂高效转化成高附加值化学品的合成策略已经成为目前最为活跃的研究方向之一，其中利用CO₂插入金属-元素键的经典研究策略日益成熟。另一方面，据文献报道，含有路易斯强酸性硼烷单元以及路易斯碱性胺或膦单元的受阻路易斯酸碱对（Frustrated Lewis pairs，FLP）容易与CO₂形成加合产物（图 1，a）。例如，已有文献报道使用胺/硼烷路易斯酸碱对来分离出一些具有铵/硼酸酯的FLP/CO₂加合物。但是，这种固定模式仅限于预制FLP和CO₂的化学当量反应，同时也未能实现所得羧酸盐两性离子的进一步转化应用。因此，探索涉及通过路易斯酸碱对活化CO₂的催化反应，并可将CO₂加合产物转化为具有价值产物的方法是十分有意义的。

日本理化学研究所侯召民教授（点击查看介绍）课题组长期致力于发展新颖高效的CO₂转化策略（Chem. Sci., 2013, 4, 3395‒3403; Chem. Rec., 2019, DOI: 10.1002/tcr.201900060）。在前期工作中，该研究组采用铜催化的多组分反应，以CO₂为羧化原料，双硼试剂作为硼化原料，实现了炔类（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 14314‒14317）和醛类（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 6257‒6260）的双官能团化。在前期工作的基础上，近日该研究团队将分子内N/B路易斯酸碱对引入铜催化体系，促进了 CO₂的活化，实现了亚胺双官能团化的催化反应（图1b）。所获得的新颖环状硼杂氨基甲酸锂盐衍生物可转化为具有价值的N-羧基-α-氨基硼酸酯衍生物，同时还实现了手性N-叔丁烷亚磺酰基醛亚胺的高度非对映选择性反应。该反应具有广泛的底物范围、良好的官能团耐受性、易于放大等优点。

图1. 受阻路易斯酸碱对促进的CO₂活化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

在结合当量实验的基础上，该论文运用DFT计算对反应体系的机理进行了深入研究。图2中作者提出了可能的反应机理。将亚胺底物1插入硼基铜络合物A的Cu-B键中，生成活性胺基铜配合物B。值得注意的是，与过渡金属催化反应（传统的CO₂均插入金属-元素键中）完全不同，DFT计算结果表明在本研究的CO₂活化过程中CO₂与Cu原子之间没有直接相互作用，而是通过利用α-硼烷基胺基铜B作为强大的路易斯酸碱对实现CO₂的固定（过渡态TS）。随着CO₂与N原子和B原子的连接以及铜单元迁移至频哪醇硼酸酯的氧原子上，获得环状硼杂氨基甲酸酯中间体C。最后，铜配合物C和LiOtBu之间的进行金属置换，从而再生催化活性物种和释放目标产物3。

图2. 反应机理示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

该成果发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）。日本理化学研究所侯召民主任研究员、张亮专任研究员和大连理工大学罗根教授（现任职安徽大学）为该论文通讯作者，日本理化学研究所李正华博士为该论文第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

CO₂ Activation by Lewis Pairs Generated Under Copper Catalysis Enables Difunctionalization of Imines

Zhenghua Li, Liang Zhang*, Masayoshi Nishiura, Gen Luo*, Yi Luo, Zhaomin Hou*

J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 1966-1974, DOI: 10.1021/jacs.9b11423

导师介绍

侯召民

https://www.x-mol.com/university/faculty/31089