福建物構所二氧化碳參與的選擇性C–H鍵羧基化反應獲進展

　　CO2一般被認為是主要的溫室氣體，但在化學家眼里它也是一種非常重要的廉價、豐富、安全和可再生的C1合成子。使用CO2來進行有機精細化學品的合成，是一個有利于社會可持續發展的前沿研究領域，一直以來都受到化學工作者的廣泛關注，從而發展了各種利用CO2的策略。過渡金屬催化的、CO2參與的芳香化合物C–H鍵羧基化反應，由于其具有高效、綠色及原子經濟性等諸多優點，表現出了良好的發展潛力。此外，不同于傳統堿性條件下的芳香羧基化反應，過渡金屬催化的羧基化反應條件易于優化調控，從而可能適應于多種底物。然而，由于CO2分子本身的熱力學和動力學穩定性，CO2參與的、過渡金屬催化的直接對惰性C-H鍵進行羧基化反應的研究還非常有限，一直以來是催化領域的一項挑戰性研究方向。目前這類反應的相關報道極其有限，局限于某些特殊缺電子芳香化合物以及較為苛刻條件下的特殊底物的羧基化反應。實現溫和條件下、弱酸性/非活化的芳香化合物C–H鍵的選擇性羧基化反應，目前還是一個很大的挑戰。

　　中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室和中科院煤制乙二醇及相關技術重點實驗室研究員李綱課題組，在國家“青年千人計劃”、中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、福建省百人計劃以及福建省自然科學基金等資助下，使用過渡金屬Rh(II)作為催化劑，在配體的調控作用下，成功實現了氧化還原中性條件下的CO2參與的2-芳基苯酚類化合物的惰性芳香C–H鍵的位點選擇性羧基化反應（圖1a），得到3,4-苯并香豆素類化合物。該研究工作最顯著的一點是突破了經典的堿性條件下的Kolbe-Schmitt反應的位點選擇性（圖1b），這類反應可以用來合成著名的阿司匹林藥物。在以往涉及到Kolbe-Schmitt類反應的報道中，活性位點通常在富電子的苯酚環上羥基的鄰位和對位；而在該報道中，作者通過在體系中加入醋酸銠及恰當的膦配體，即可將反應發生的位置調控到使用傳統方法所不能達到的、活性差的芳香環的C–H鍵上（圖1a）。其次，該反應的另一個優勢是條件較為溫和，不需要外加氧化劑和還原劑、體系簡單；而且可以在一個大氣壓的CO2下完成，操作簡便。同時，該反應的適用范圍廣泛。對于原料兩個苯環上不同位置帶有不同性質取代基的底物均具有很好的兼容性；而且，帶有呋喃、噻吩、吡咯以及貧電子的吡啶環等雜環類底物，一樣可以收到很好的反應結果。最后，催化劑Rh2(OAc)4的量可以降到1%，可以很好地適用于克級規模試驗。另一方面，為了今后對此方法進行進一步的探索和擴展，作者對反應機理做了相關的研究，得到了可能的活性催化劑的金屬配合物晶體結構，并在此基礎上發現了更優良的配體。結合一系列的氘代實驗與控制實驗，作者提出了該反應可能的催化循環機理模型。該研究給CO2的活化和利用帶來新的思路和催化體系，也為繼續研究環金屬配合物與二氧化碳的反應機理奠定了基礎。上述研究成果發表在《自然-催化》上（Nat. Catal. 2018, DOI: 10.1038/s41929-018-0080-y）。

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圖1 Rh(II)催化的CO2參與的選擇性芳香環C–H羧基化反應