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华东师范大学周锋教授团队：乙烯基环氧与CO2的电化学二羧化反应

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-08 10:00

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利用CO ₂ 作为廉价易得的碳源进行羧化反应，是合成高附加值羧酸最直接的方法之一。由于二羧酸类化合物在天然产物、药物和功能聚合物中广泛存在，近年来通过CO ₂ 参与的二羧化反应来合成二羧酸引起了广泛关注。然而由于CO ₂ 固有的热力学稳定性和动力学惰性，将两个CO ₂ 分子同时引入到分子中具有很大挑战性。尽管已经实现了C=C多键、C-C单键以及C-H单键等化学键与CO ₂ 的二羧基化反应，但对于碳杂键的二基羧化在很大程度上未被探索，同时断裂两个C-O单键实现简单易得的环氧化合物与CO ₂ 的直接二羧基化还尚未见报道。这可能是由于C-O单键的键解离能高，且氧中心自由基或阴离子片段的离去基团能力差，导致C-O单键的断裂具有一定的挑战性。因此开发绿色温和方法，通过断裂环氧的两个C-O单键与CO ₂ 发生双羧基化合成二羧酸具有重要意义。

图一、 CO ₂ 双羧基化反应的研究进展

近年来，华东师范大学周锋教授团队一直致力于 CO ₂ 的高选择转化利用方面的研究，一方面通过发展新型手性 PYBOX 配体，探索 CO ₂ 参与的不对称催化串联反应，高立体选择性合成手性杂环（ ACS Catal. 2017 , 7 , 8588; Nat. Chem. 2024 , 16 , 521; Sci. China. Chem. 2024 , doi.org/10.1007/s11426-024-2346-4 ），另一方面利用电化学方法，探索惰性化学键与 CO ₂ 的羧化反应，高化学选择性合成羧酸（ Chem. Sci. 2020 , 11 , 10414; Org. Lett. 2021 , 23 , 2726 ）。前期分别发展了惰性 C(sp ³ )-F 键和 C(sp ² )-F 与 CO ₂ 的电化学脱氟羧化反应，在此基础上实现了烯基环氧化合物与 CO ₂ 的直接电化学二羧化反应。通过 CO ₂ 单电子还原产生的自由基阴离子，与乙烯基环氧发生自由基加成，诱导两根 C-O 键的断裂，结合电化学还原羧化得到二羧酸。反应具有高化学、区域和立体选择性，以及广泛的底物范围，包括 α- 芳基、 α- 烷基和 α- 苯乙烯基环氧以及环碳酸酯，都可以顺利发生反应得到具有 E 构型的己二酸或辛二酸。

图二、 CO ₂ 双羧基化反应的研究进展

所得的二羧酸可进一步转化为相应的二酯，随后选择性还原为相应的羟基酯或水解为羧酸酯，分别进一步与多种含羧基或胺基的药物分子发生缩合得到相应羧酸衍生物，为药物化学研究提供了潜在的应用。

图三、产物转化

为探究反应机理，作者进行了系列对照实验。首先，在标准条件下通过核磁检测到了体系中甲酸和草酸存在，说明 CO ₂ 可能在阴极被单电子还原为自由基阴离子；通过监测反应过程，表明 δ- 羟基酸可能是反应的关键中间体；氘代实验表明反应经历了碳负离子中间体过程；循环伏安结果表明，在反应过程中 CO ₂ 的电化学还原应优先发生在烯基环氧化物和环碳酸酯的电化学还原之前。

图四、机理探究

基于实验结果和相关文献报道，作者提出了可能的反应机理，首先二氧化碳经历单电子还原为自由基阴离子，进而加成到乙烯基环氧的乙烯基部分，随后经过进一步单电子还原以及 β-O 裂解得到关键中间体 δ- 羟基酸盐 II ，其与 CO ₂ 反应得到碳酸盐中间体 III ，该中间体的形成促进了烯丙位 C-O 键的活化，进一步单电子还原断裂第二根 C-O 键，形成烯丙基自由基中间体 IV ，随后该中间体经单电子还原、对 CO ₂ 亲核进攻并酸化得到目标二羧酸产物。

图五、可能的反应机理

在该工作中，周锋教授团队利用电化学方法，实现了 CO ₂ 与乙烯基环氧的还原二羧基化反应，实现了两个 C-O 键的选择性裂解。该方法具有很高的化学选择性、区域选择性和立体选择性，以及广泛的底物普适性，由此产生的 E - 式二羧酸可作为平台分子进一步衍生化，机理研究表明反应可能涉及 CO ₂ 自由基阴离子加成和两个 C-O 键的还原断裂的途径。