碳碳键是构成有机化合物基本骨架的化学键，其断裂与重组在有机合成与工业生产中扮演着核心角色。因此，探索和发展碳碳键断裂新方法，不仅能极大地拓宽现代合成化学的视野，也是应对全球能源挑战、减轻环境负担以及促进可持续发展的重要途径。然而，大多数的碳碳键是非极性键，其活化存在热力学稳定性和动力学受阻的挑战。此外，碳碳键断裂后产生两个片段，通常只能利用其中一个。相比之下，碳碳键断裂后双片段同时官能团化，不仅能实现碳碳键转化的多样性与原子经济性，更能合成一系列结构多样的高附加值化学品（图1a）。在各种碳碳键中，C(sp3)–C(sp3)单键数量最多，但由于存在较强键解离能、较大空间位阻等原因而难以实现其高效断裂和选择性转化，尤其是C(sp3)–C(sp3)键断裂实现双片段选择性官能团化的方法亟待开发。在这类反应中，底物类型主要集中于环状化合物或者存在特定官能团取代的碳碳键（图1b）。近年来，非特异性、非环状碳碳键断裂双片段官能团化吸引了广泛研究兴趣。例如，香港科技大学黄湧教授/深圳湾实验室陈杰安研究员团队利用可见光催化氧化策略实现了无任何杂原子基团修饰的烃类分子骨架中惰性C(sp3)–C(sp3)键的高效高选择性断裂官能团化。然而，非环状C(sp3)–C(sp3)键还原断裂官能团化还局限于当量活泼金属还原剂等苛刻反应条件的使用（图1c）。近年来，四川大学余达刚教授和廖黎丽副研究员一直致力于在温和反应条件下实现二氧化碳（CO2）的高效活化与选择性转化（综述：Sci. China Chem. 2020, 63, 1336; Acc. Chem. Res. 2021, 54, 2518; Natl. Sci. Open 2023, 2, 20220024; Acc. Chem. Res. 2024, DOI: 10.1021/acs.accounts.4c00417. 代表性论文：Nat. Catal. 2021, 4, 304; Nat. Catal. 2022, 5, 832; Nature 2023, 615, 67; Nat. Catal. 2023, 6, 959.），在前期利用电化学促进CO2参与张力环碳碳单键断裂双羧基化的研究基础上（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2062），最近实现了电化学促进CO2参与芳烃乙烷非环状C(sp3)–C(sp3)键断裂双片段羧基化反应，高效高选择性合成了芳基乙酸衍生物。![]()
作者首先使用1,1,2,2-四苯基乙烷为模型底物，通过对电极材料、电流强度、电解质种类、溶剂种类等一系列条件优化，确定了最佳的反应条件：以铌为阴极和镁作为阳极，四丁基四氟硼酸铵为电解质，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂，在恒定电流15毫安以及室温下电解16小时，以89%的分离收率得到目标产物2a（图2）。![]()
在最优条件下，作者对一系列对称的四芳基乙烷衍生物以及二芳基乙烷衍生物进行了普适性考察。结果表明，该反应底物适用范围广泛，具有良好的官能团兼容性，均能以中等至优先的产率得到芳基乙酸衍生物。![]()
此外，作者对反应条件进行微调，研究表明：非对称多芳基乙烷衍生物能够通过电促进的两个碳片段同时羧基化，以中等至良好的收率同时得到两种芳基乙酸。![]()
后续作者通过一系列控制实验研究了反应机理。首先，在氮气氛围下进行电解时，底物被还原表明底物可直接被电极表面还原；同位素标记实验以及亲电试剂捕获实验表明反应体系可能经历碳负离子中间体；甲酸盐检测实验表明反应体系中可能存在二氧化碳自由基负离子。![]()
最后，根据机理研究实验以及此前的文献报道，作者提出了如下图所示可能的反应机理（图6）。阴极表面直接将多芳基取代乙烷衍生物单电子还原为相应自由基负离子后，由于其不稳定性会引发碳碳键断裂生成两种比较稳定的关键中间体苄基自由基以及苄基碳负离子，苄基碳负离子可以直接与CO2反应得到目标产物芳基乙酸衍生物，苄基自由基进一步被还原后亲核进攻CO2得到芳基乙酸衍生物。此外，不能排除CO2被单电子还原为CO2•−后作为电子载体，实现底物的单电子还原的路径。![]()
相关成果近期在线发表于Science China Chemistry。冉川昆博士为文章的第一作者，四川大学余达刚教授和廖黎丽副研究员为共同通讯作者。详细内容见：Chuan-Kun Ran, Quan Qu, Yang-Yi Tao, Yi-Fei Chen, Li-Li Liao, Jian-Heng Ye, Da-Gang Yu. Electro-reductive carboxylation of acyclic C(sp3)–C(sp3) bonds in aromatic hydrocarbons with CO2. Sci. China Chem., 2024, doi: 10.1007/s11426-024-2075-6.扫描二维码或点击左下角“阅读原文”可查阅全文。
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