溫室氣體二氧化碳（CO2）是一種儲量豐富、廉價易得、無毒、可再生的碳一（C1）資源，利用其制備具有高附加值的化學品具有重要意義。近年來，利用CO2合成重要的羧酸化合物備受關注。CO2參與的有機（類）鹵代物的還原羧基化反應由于原料易得和步驟經濟性高等優點，被廣泛研究。其中，過渡金屬催化有機（類）鹵代物的還原羧基化反應已有很多報道，但該類方法通常需要使用當量的金屬還原劑，后處理存在安全問題，不利于工業化生產。近幾年，可見光催化的還原羧基化反應得到了迅速發展，使用安全、穩定的有機胺或漢斯酯等作為還原劑，但該類轉化還處于發展初期，主要局限于活化底物。雖然可見光催化非活化底物的還原羧基化也有少量報道，但通常需要使用昂貴的光敏劑和過渡金屬催化劑，存在成本高和底物局限等問題，限制了其廣泛應用。
另一方面，有機電化學利用電化學裝置實現有機化學轉化，是實現還原羧基化反應的重要手段之一。該技術以電子作為清潔還原劑，通過對電流或電壓的控制，可實現有機（類）鹵代物和CO2的高效高選擇性轉化，已有較多報道。由于早期的電化學報道主要存在需要使用特殊陰極、局限于活化底物以及使用犧牲金屬陽極等問題，因此需要開發一種更加廣譜和低成本的電羧化方法。
針對該領域存在的以上問題，四川大學余達剛教授（點擊查看介紹）課題組發展了一種具有廣譜性的鎳催化CO2參與的有機（類）鹵代物的電化學還原羧基化反應。該體系底物適用范圍廣，官能團容忍性好，可以在溫和條件下實現一系列的非活化芳基（類）鹵代物（氯代物、溴代物、碘代物以及磺酸酯類底物）和非活化的烷基溴代物的羧基化，高效合成重要的芳基和烷基羧酸化合物。此外，針對大多數電化學還原反應中需要使用犧牲金屬陽極的問題，作者進一步發展了一種非犧牲陽極體系實現芳基或烷基鹵代物的還原羧基化反應，對大多數的芳基鹵代物均有較良好的兼容性。該體系主要以甲苯的電化學氯化反應或者胺的電化學氧化與還原羧基化耦合匹配，避免了以往金屬犧牲陽極的使用。隨后，作者對反應機理進行了探究，通過一系列的控制實驗以及電化學測試驗證了可能的反應中間體。結合實驗結果和前期工作，作者提出了可能的反應歷程，電致產生的零價鎳物種是啟動反應的重要前體，隨后與鹵代物發生氧化加成后，進一步的單電子還原形成的一價鎳中間體，并對二氧化碳進攻后得到目標羧酸鎳物種，經歷進一步單電子還原重生零價鎳催化劑，相應的羧酸鹽在后處理過程中形成羧酸。
總的來說，該研究利用溫室氣體CO2作為羧基源，通過電化學發展了一種鎳催化的非活化芳基和烷基（類）鹵代物的羧基化新方法，并開發了一種實現該反應的非犧牲陽極體系，具有條件溫和、成本低、底物適應性廣和官能團兼容性高等優點，為重要羧酸化合物的制備提供了新途徑。
該研究發表于Nature Communications，四川大學為第一單位，化學學院余達剛教授為通訊作者，博士研究生孫國權為第一作者。特別感謝國家自然科學基金委、四川省科技廳、四川大學、北京分子科學中心的經費支持。