上海交通大学刘家旺课题组Angew：光氧化还原/钯协同催化外消旋杂联芳基卤化物与CO2的对映收敛羧基化反应
二氧化碳（CO2）作为一种储量丰富、无毒且可持续的碳资源，其高效转化合成多种高附加值化学品受到了化学家们的广泛关注。过去几十年，研究者们已经发展出一系列方法将CO2转化为多种羧酸类化合物，但是由于CO2自身的热力学稳定性和动力学惰性，其转化通常需要较苛刻的条件；此外，CO2非极性的分子结构使得其与金属的配位能力较弱。因此以CO2为原料，通过金属催化不对称碳-碳键形成来合成手性羧酸一直是该领域的挑战性难题。尽管近年来也有一些CO2不对称催化转化的报道，但大多数都集中在中心手性的构建，而利用CO2的不对称羧化反应构建轴手性羰基化合物的研究还很少。近十年来，光氧化还原与过渡金属协同催化体系受到越来越多的关注，与单一催化体系相比，该协同催化体系将光催化和过渡金属催化的优势相结合，不仅打破了传统金属催化的反应模式，而且光催化体系的引入使得催化金属的价态更加丰富可调，从而带来新的反应性能。除此之外，光催化和金属催化这两个独立的催化循环能够实现更加精细的反应性和选择性调控。
图1. 光氧化还原/过渡金属协同催化CO2的不对称羧化反应
近日，上海交通大学变革性分子前沿科学中心刘家旺（点击查看介绍）课题组利用光/钯协同催化体系，发展了联杂芳环（类）卤代物与CO2以及烷基溴化物的串联不对称羧化和原位酯化反应，通过动态动力学不对称转化过程，成功实现了CO2参与轴手性酯的高效、高选择性合成（图1）。机理研究表明：加入烷基溴原位快速捕获手性羧基阴离子中间体从而生成构象稳定的轴手性酯，是反应取得成功的关键。作者以1-（2-溴萘-1-基）异喹啉1a和1-溴正己烷2a作为模板底物，以4CzIPN为光催化剂，Pd(acac)2作为钯催化剂前体，(R)-BTFM-Garphos (L1) 为手性配体，DIPEA作为还原剂，碳酸铯作碱，双三氟甲磺酰亚胺锂和4Å分子筛作为反应添加剂，N, N-二甲基乙酰胺作溶剂，在一个大气压CO2氛围以及455 nm蓝光照射下，16 ℃反应24小时，即可以89%的分离产率以及96%的ee值得到产物3aa。在最优反应条件下，作者首先对烷基溴底物适用范围进行了考察，多种烷基溴化物上的各种官能团如氟、氯、甲氧基、三氟甲基、膦酸酯基以及一些药物分子片段均具有良好的兼容性（图2）。
随后，作者还对联杂芳环卤代物进行了考察。萘环不同位置的多种取代基对于反应的影响较小，能以良好到优秀的产率以及优秀的对映选择性得到相应的产物（图3）。
为了更深入地理解反应机理，作者设计了一系列控制实验进行反应机理研究（图4），包括：荧光淬灭实验、循环伏安实验、自由基淬灭和自由基钟实验、反应动力学实验以及产物消旋动力学实验等。实验结果表明：（1）反应涉及光氧化还原/过渡金属协同催化的串联对映收敛羧化/取代酯化的过程；（2）羧化反应产生的羧酸阴离子原位被烷基溴快速捕获，从而生成了构象稳定的轴手性酯，这是反应取得高对映选择性的关键因素之一。
总之，该工作开发了一种高效的光氧化还原/钯协同催化体系，实现了CO2参与的轴手性酯的合成，反应具有对映选择性高、底物范围广以及官能团耐受性强等优点。反应成功的关键在于加入烷基溴原位快速捕获手性羧基阴离子从而产生构象稳定的轴手性酯。该反应不仅为轴手性羧酸酯的合成提供了简洁温和的路线，同时也为二氧化碳的不对称转化提供了新思路。该研究工作近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章通讯作者为上海交通大学刘家旺副教授，第一作者为上海交通大学博士研究生叶必海。该项工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、交大2030计划和上海市启明星资助。
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Synergistic Photoredox/Palladium Catalyzed Enantioconvergent Carboxylation of Racemic Heterobiaryl (Pseudo)Halides with CO2
Jiawang Liu, Bihai Ye, Lei Su, Kaiting Zheng, Shen Gao
Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202413949
刘家旺，上海交通大学长聘教轨副教授，博士生导师。国家高层次青年人才计划入选者（2021），上海市高层次人才计划（2021）和启明星计划入选者（2021）。2011年本科毕业于郑州大学化学系，2016年博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所，2017-2020年在德国莱布尼茨催化研究所从事博士后研究，2021年入职上海交通大学。研究方向主要集中在低碳资源小分子在不对称催化、可降解高分子直接合成以及工业大宗化学品的变革性合成中的应用。迄今以第一作者（含共一）/通讯作者身份在Science、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun., Chem. Sci.、ACS Catal.等学术期刊上发表研究论文20余篇，主持国家科技部重点研发计划（课题）、国家基金委青年基金以及上海市和企业项目等科研项目。担任Green Carbon期刊青年编委。课题组因发展需要，长期招聘有机合成化学、金属有机化学以及高分子合成化学等相关领域的博士后，待遇从优，欢迎感兴趣同学随时联系：liujw2020@sjtu.edu.cn。
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