期刊：J. Am. Chem. Soc.
Doi: 10.1021/jacs.4c12294
二氧化碳是没有偶极矩的线性分子，在大多数反应条件下都具有很高的动力学和热力学稳定性。二氧化碳通常通过生成不稳定的二氧化碳自由基阴离子来进行活化（图 1a）。然而，二氧化碳的负还原电位极低，二并且氧化碳自由基阴离子不稳定。
一个世纪以来，化学家们一直在效仿自然界，利用光来克服能量障碍和操纵化学键，否则很难实现这些目标。光催化有能力通过双电子活化模型，利用涉及单电子物种的自由基机制，加速二氧化碳的直接结合，从而克服上述能量障碍。
然而，将CO2 直接单电子还原为二氧化碳自由基阴离子的研究却很少，通常需要强还原条件或高能紫外光（图 1b）。这些条件下的化学反应过程往往不具备选择性化学转化的动力学能力，从而导致草酸盐、多羧化产物等不良产物的快速形成。为了真正利用CO2●-作为选择性羧化的 C1 合成物的潜力，有必要在温和的条件下构思一种新的活化策略，以便在反应介质中产生并维持较低的 CO2●-稳态浓度。
甲酸脱氢酶（FDH）是大自然催化二氧化碳可逆转化为甲酸盐的催化剂，在依赖 NAD 的 FDH 酶中，二氧化碳还原过程是通过 NADH 辅因子的氢化物转移进行的，从而产生甲酸和 NAD+（图 1c）。作者希望利用仿生甲酸盐生成途径与光氧化催化相结合，产生氢化物和氢原子转移的协同效应，从而为二氧化碳的生成提供另一种催化模式。理想情况下，这种最先进的活化模式(i) 需要合适的氢化物源来生成甲酸盐，(ii)需要合适的 HAA 催化剂从甲酸盐中不可逆地抽取氢原子来生成CO2●-。作者通过与烯烃进行羧化反应来证明该方案可以将二氧化碳安装到有机分子中。通过三重光氧化、氢化物转移和 HAA 催化循环实现氢化物和氢原子转移的协同作用，可以提供一种广泛而通用的自由基加氢羧化反应。
该反应的难点是选择合适的氢化物源以原位生成甲酸根，以及选择氢自由基源以捕获在烯烃中加入CO2后形成的烷基自由基。硅上附有一个或多个氢原子的有机硅烷具有离子或自由基还原剂的能力；此外，利用光氧化催化作用，通过单电子转移（SET）事件，选择性地从叔胺或硫醇中生成开壳自由基中间体。然后，这种高活性自由基中间体将从甲酸酯中抽取氢原子，生成CO2●-。已知叔胺与现有光催化剂发生 SET 的速度极快，因此作者利用叔胺作为激发态光催化剂的高效淬灭剂（图 1d）。
作者设想的机理如下：
进行底物范围的考察，该反应具有很好的反马氏选择性，对于脂肪类化合物同样使用，使用化合物15进行放大反应，未观察到产率下降；此外，还可以适用于不同长度的1, n-氢迁移反应，使用手性原料进行反应时，产物有很好的非对映选择性，用13C和14C标记的二氧化碳进行反应，可以很好地向化合物中引入一个放射性碳原子，结果符合 ADME 和自显影研究的可接受值：
机理实验：在标准反应条件下加入自由基清除剂，没有得到想要的产物，这表明自由基中间产物参与了反应（图 5a）。荧光淬灭实验证实了 DABCO 对激发的 Ir-光催化剂 5 的还原淬灭作用，而烯和其他试剂如三（三甲基硅基）硅烷 (TTMSS) 和 CO2 并不能有效淬灭（图 5b）。为了探究所提出的二氧化碳物种的中间产物，作者使用 ReactIR 傅立叶变换红外光谱仪，在不加入烯烃的标准反应条件下（图 5c）从原位红外光谱中直接观察到了CO2●-物种的生成，并观察到该物种的浓度在光照后稳步增长，并在整个反应过程中持续存在。同时，二氧化碳的浓度同时降低，这表明二氧化碳在反应过程中转化为CO2●-。在自旋捕获试剂 DMPO 的存在下进行了标准的烃化反应，通过 EPR 和 HRMS 等光谱分析检测 DMPO-CO2- 加合物，然后在 ReactIR 中研究了无光条件下的相同反应。在这种情况下，我们没有看到 CO2生成，且CO2的浓度在整个过程中稳步降低（图 5d）。这一观察结果使我们相信，在CO2 向CO2●-转化的过程中可能涉及到甲酸盐中间体。为了证明甲酸盐中间体的参与，通过核磁共振研究，TTMSS 在 DABCO 和 Cs2CO3的存在下充当氢化物供体，即使在室温无光的情况下也能生成甲酸盐中间体（图 5e）。此外，烯烃的加氢羧化反应是直接用甲酸盐而不是 CO2 进行的（图 5f）。这一观察结果进一步表明，反应的路径涉及甲酸盐物种。发光淬灭实验表明，DABCO 和甲酸盐都能淬灭激发态光催化剂。且DABCO 对的淬灭速率远快于甲酸盐。此外，在没有 DABCO 的情况下，反应完全静止。在标准反应条件下进行了烯与 d-甲酸酯的反应，结果没有观察到氘的掺入（图 5g）。这与甲酸酯作为二氧化碳源而非氢原子源的作用相一致。为了找出这一转化过程中氢原子的确切来源，进行了相应的氘实验。首先，我们在 DMSO-d6 中进行了 4-叔丁基苯乙烯的烃化反应（图 5h）。在这一反应中，我们没有观察到任何氘的掺入，因此排除了二甲基亚砜作为氢原子源的可能性。其次，使用氚化 TTMSS对 4-叔丁基苯乙烯进行了烃化反应（图 5i）。在该实验中，我们观察到所需的烃化产物的形成，掺入了 69% 的氘。这一结果表明，TTMSS 可作为羧化烷基自由基的氢原子源，从而生成所需的烃化产物。用硝普钠处理了标准反应混合物，酸化后生成了粉红色溶液。对该溶液的紫外-可见研究显示，在 520 纳米处有一个吸收最大值，这与 DMS-硝普钠复合物一致，还通过气相色谱分析检测到了反应混合物中的二甲基亚砜。这些发现表明，DMSO 在光活性 Ir(III) 复合物的再生过程中起到了氧化剂的作用。最后，作者进行了核磁共振和发射淬灭实验，以排除 Ir(II) 通过连续光诱导电子转移 (ConPET) 过程还原 CO2或活化烯的可能性。
总结：作者受自然界过程的启发，对二氧化碳进行活化生成自由基负离子，并对烯烃进行反马氏加成，该方法可以合成一系列羧酸化合物，且可以向化合物中选择性引入碳同位素。此外，进行了一系列实验证明了该反应可能的机理。
