论文DOI：ACS Catal. 2022, 12, 18−24. DOI: 10.1021/acscatal.1c04921 二氧化碳（CO2）具有廉价易得、安全无毒、可再生等优点，是合成化学中的理想碳一合成子，其参与的羧基化反应是构建重要羧酸的有效方法。四川大学化学学院余达刚教授课题组最近报道了可见光催化CO2参与的C(sp3)─O键羧基化反应，在不使用过渡金属的温和条件下高效简洁合成了一系列羧酸化合物。羧酸广泛存在于天然产物、药物分子和农用化学品中，是有机合成和高分子材料的重要中间体和单体。其中芳基乙酸化合物是一类重要的生物活性分子，因其特有的生物活性而备受关注。近些年，过渡金属催化体系实现不饱和烃、（类）卤代物还原羧基化，已取得显著成果，然而此方法存在金属残留，底物范围局限和反应效率低等问题。可见光是一种廉价、无污染、丰富的可再生清洁能源，可见光催化已成为有机化学合成领域中一个强有力的手段。目前，有机化学家利用廉价易得的有机胺作为还原剂，通过可见光催化实现了一系列亲电试剂的还原羧基化反应。醇类及其衍生物廉价易得，通过醇的C(sp3)─O键断裂可构建一系列重要产物，其中可与CO2反应生成重要的羧酸类衍生物，但是需要使用昂贵的金属催化剂，限制其广泛运用。因此发展一种低成本、绿色高效的可见光催化体系实现C(sp3)─O还原羧化具有重要意义。余达刚课题组以廉价易得的苄醇为原料，利用酸酐等活化试剂原位形成羧酸酯，在可见光催化体系下与CO2合成高附加值的芳基乙酸等化合物。当不加入酸酐，苄醇也可以直接和CO2反应，但反应效率较低（TON仅为16）。该策略以有机染料作为光敏剂，无过渡金属参与，具有高效的催化效率，底物普适性好，反应条件温和的优点。此适用于合成一系列α-取代芳基乙酸类化合物，以及空间位阻更大的α，α-双取代芳基乙酸类化合物，包括布洛芬，萘普生和氟比洛芬等药物分子。此外，通过此策略高效实现CO2与苄基羧酸酯、烷烃羧酸酯C(sp3)─O键羧基化反应。首先，作者通过筛选一系列光敏剂、还原剂、活化试剂、溶剂、碱等反应条件，确定最佳反应条件。接着，作者在最优条件下考察了该反应的底物普适性，苄醇或苄基碳酸酯为原料时，芳环上取代基的电子效应和位阻效应并没有产生较大的影响，均以较高的收率得到脂肪族羧酸化合物。并且还能耐受多种官能团，例如：卤化物、氰基、烷氧基、三氟甲基、酯基、杂环等。该反应策略还能高效合成空间位阻较大α-取代、α，α-双取代芳基乙酸类化合物，以及合成布洛芬、萘普生、氟比洛芬等重要的药物分子。随后，作者考察了酰胺、酯、腈、环内酯这几种烷烃类羧酸酯，均能在可见光催化体系下发生裂解与CO2反应，中等到良好的产率合成不同高附加值的脂肪族羧酸。
作者通过一系列的机理实验研究，提出一个可能的机理循环：首先醇和酸酐原位生成碳酸酯中间体A。随后，中间体A在可见光催化下经历两步单电子还原，分别得到苄基自由基B、碳负离子C。然后，碳负离子C对CO2进攻，后经酸化得到羧酸产物。通过控制实验，作者发现没有酸酐的情况下，反应体系也能进行，较低产率得到羧酸化合物。因此，作者认为在碱的作用下，原料1a和CO2可以在原位生成碳酸盐A'，并和中间体A一样经历上述催化循环。
该工作发展一种可见光催化CO2参与的C(sp3)─O键还原羧化反应，具有条件温和、无需过渡金属、底物范围广和官能团耐受性好等优点。此方法为布洛芬、萘普生、非诺洛芬、氟比洛芬等药物分子的合成提供了一种绿色简便的方法。四川大学为第一单位，化学学院余达刚教授、廖黎丽博士为通讯作者，博士研究生冉川昆、新疆大学交流博士生牛亚楠为共同一作，特别感谢国家自然科学基金委、四川省科技厅、四川大学的经费支持.https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acscatal.1c04921
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