CO2参与的苯乙烯、丙烯酸酯的硫羧基化反应

温室气体CO₂因具有廉价易得、无毒、可再生等特性，被视为理想的C1合成子，利用CO₂制备一系列羧酸和羰基化合物具有重要的意义。然而，CO₂热力学和动力学的高稳定性使其在有机合成中的应用受到限制，反应条件通常较为剧烈。目前，人们已经发展了一系列CO₂的转化反应。其中，以苯乙烯作为底物，通过形成苄基金属物种进而与CO₂反应已经成为构建α取代苯乙酸的重要方法。相比之下，反马氏加成的羧基化产物（如苯丙酸）构建的工作却鲜有报道。

四川大学化学学院的余达刚教授（点击查看介绍）课题组致力于CO₂的新型转化研究以及开发新颖高效的CO₂催化转化体系。该团队近两年基于“CO₂=CO+[O]”的研究理念已经实现了C(sp²)-H键的酰胺化反应（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 7068）和内酯化反应（Org. Lett., 2017, 19, 396），通过设计多组分的串联反应高效、高选择性地构建含氟噁唑啉酮类化合物（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10022），并结合去芳构化策略构建了吲哚啉类化合物（ACS Catal., 2017, 7, 8324），近期他们也实现了CO₂参与烯烃的不对称氢化羟甲基化反应（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b10149）。基于对CO₂反应性的认识，该团队认为通过CO₂的单电子还原形成CO₂自由基阴离子物种可以实现CO₂全新的选择性转化，极大地促进CO₂化学的发展。受“硫铁世界学说”和生命体内高活性硫铁蛋白质相关研究的启发，该团队近日成功实现了CO₂参与芳基烯烃和丙烯酸酯的选择性硫羧基化反应。区别于麻省理工学院Jamison教授近两年报道的紫外光下以三联苯作为光敏剂产生CO₂自由基阴离子的工作，该团队发展了一个全新的可见光催化体系，实现了独特的β-羧基化选择性，首次报道了引入C-S键的CO₂参与烯烃双官能化的羧基化反应。

图1. 光促进CO₂参与的羧基化反应。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

经过一系列的条件优化，作者发现使用30W的蓝光LED、5 mol%的FeCl₃，在室温、常压条件下成功实现了苯乙烯 (1a)、对甲苯硫酚 (2a)和CO₂参与的三组分串联反应，以94%的高收率和单一的β-选择性得到了硫羧基化的产物 (3aa)。

图2. 反应条件的筛选。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

得到最优条件后，作者对烯烃底物的普适性进行了考察。芳香环进行给电子或吸电子取代基修饰的苯乙烯底物参与反应，都能以良好的收率得到产物，芳香环上不同位置取代的和烯烃α-或β-取代的底物、芳香杂环取代的底物，甚至是丙烯酸酯类底物都能够顺利发生反应。接下来，作者对硫酚类底物进行了考察，富电子和电中性取代基修饰的苯硫酚底物参与反应，能以良好的收率得到目标产物。令人遗憾的是，强吸电子取代基取代的苯硫酚底物以及烷基硫醇类底物参与反应不能有效地得到目标产物。

图3. 烯烃底物的拓展。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

图4. 硫酚底物的拓展。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在机理研究中，作者通过控制反应验证了叔丁醇钾主要起到碱的作用，与苯硫酚形成硫酚钾盐，同时排除反应经历苯硫酚负离子和肉桂酸Michael加成的历程，此外，还排除了经由苄基碳正离子被苯硫酚负离子捕获的机理。作者利用自由基捕获和自由基钟实验证实了苄基自由基的产生，并推测该物种是由CO₂自由基阴离子对苯乙烯加成产生的。在文章的补充信息中，作者通过动力学实验排除了二硫化物（ArSSAr）作为反应活性中间体的可能性，并进一步通过UV-Vis和CV的相关实验推测反应中产生高活性的硫铁复合物。作者基于实验数据推测了可能的反应机理：CO₂首先与激发态的硫铁复合物通过单电子转移形成CO₂自由基阴离子，进而对苯乙烯加成产生苄基自由基。被氧化的低价硫铁复合物与硫酚负离子发生单电子作用实现活性硫铁复合物物种的再生，同时，产生的硫自由基与苄基自由基进行自由基-自由基交叉偶联反应得到目标产物，相关机理还在进一步研究中。

图5. 反应机理的研究。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

最后，作者还证明了该类反应可进行克级规模的制备，产物分子作为重要的有机合成子可进行衍生化得到生物活性分子。

图6. 产物的衍生化。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

余达刚教授团队发展了一种全新的基于CO₂转化的可见光催化体系，设计了一种实现CO₂高选择性转换的新思路，为更加高效地利用CO₂资源提供了新的途径，同时也首次实现了CO₂参与烯烃的硫羧基化反应。相关研究结果近期发表于Angew. Chem. Int. Ed.。

该论文作者为：Jian-Heng Ye, Meng Miao, He Huang, Si-Shun Yan, Zhu-Bao Yin, Prof. Dr. Wen-Jun Zhou, Prof. Dr. Da-Gang Yu

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）：

Visible-Light-Driven Iron-Promoted Thiocarboxylation of Styrenes and Acrylates with CO₂

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201707862

导师介绍

余达刚

http://www.x-mol.com/university/faculty/18372

课题组主页

http://chem.scu.edu.cn/test/jiaoshi/yudagang