【有机】曲阜师范大学赵育磊副教授课题组: CO2瞬态稳定化效应及其在偶氮化合物电化学氢化及α-酮酯还原偶联中的应用

导语

二氧化碳是温室气体主要成分之一，其转化再利用备受关注。作为一种理想的C1合成子，二氧化碳具有储量丰富、廉价、无毒等优点，在有机合成领域引起了极大关注。尽管取得了众多优秀成果，但二氧化碳更多的被用作C1合成子，探索二氧化碳在合成化学中的新应用是一个很有吸引力的研究方向。近日，曲阜师范大学赵育磊副教授课题组发现了二氧化碳的一种新的瞬态稳定化效应（Transient Stabilization Effect, TSE），并将其应用于偶氮化合物的电化学加氢和α-酮酯衍生物的还原偶联反应。曲阜师范大学蒋原野副教授课题组为该工作提供了重要的理论计算支持。相关成果以“Transient Stabilization Effect of CO 2 in the Electrochemical Hydrogenation of Azo Compounds and the Reductive Coupling of α-Ketoesters”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.,2022（DOI: 10.1002/anie.202213636）。

前沿科研成果

CO2的瞬态稳定化效应

在作为C1合成子之外，二氧化碳还显示出了在不并入最终反应产物的前提下，调节某些反应的反应活性和选择性的能力。在这种作用模式下，二氧化碳已有诸如生成氨基甲酸盐促进C-H键活化（Nat. Chem.2018, 10, 1037）、生成临时导向基团（J. Am. Chem. Soc.2014, 136, 4109）、转化羟基为易于离去基团（Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 6099）等作用被开发出来。本文通过在电化学还原条件下对二氧化碳利用的研究，发现了二氧化碳的一种新的瞬态稳定化效应（Transient Stabilization Effect, TSE）。二氧化碳的TSE影响意味着，高活性中间体可以被二氧化碳捕获，以防止其分解或发生其他可能的副反应，从而完成直接方法难以实现的合成，而二氧化碳稍后可通过自发脱羧过程被释放（图1）。

图1. 二氧化碳的瞬态稳定化效应（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者首先将二氧化碳的瞬态稳定化效应应用于偶氮化合物的电化学加氢。作者以苯基偶氮砜为原料对反应条件进行了优化。在通入二氧化碳的最优电化学还原条件下，反应能以优秀的收率实现苯基磺酰基肼的合成。而在无二氧化碳的情况下，原料分解，无肼类化合物生成。

为了考察该电化学合成方法的底物适用范围，作者考察了一系列芳基偶氮砜、其他缺电子偶氮、双芳基偶氮和烷基偶氮化合物（图2）。作者首先对芳环电子效应进行了考察，发现：不论是富电子芳基取代基，还是缺电子芳基取代基，都能很好地适用于该反应。随后，作者对底物的空间位阻效应进行了考察，发现大位阻底物也能适用于该反应。此外，双芳基偶氮、氨基酸酸酯类底物和烷基偶氮化合物对该反应都有较好的兼容性。

图2. 底物适用范围研究（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者通过循环伏安（CV）实验测定相关底物还原电势，结合控制实验分析并提出了可能的反应机理；密度泛函（DFT）理论计算显示：CO 2 可以捕获活泼的偶氮自由基阴离子中间体形成较稳定的氨基甲酸自由基阴离子，从而避免分解副反应；通过电子顺磁共振（EPR）实验，验证了可能的自由基负离子中间体的存在，进一步佐证了所提出的反应机理。

图3. 反应机理研究（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者还对多种不饱和化合物进行了筛选，并将这一CO 2 促进效应初步应用于α-酮酯衍生物的电化学还原偶联反应，并以中等收率得到几个代表性的邻二醇衍生物。值得注意的是，在无二氧化碳存在下，不能有效实现邻二醇合成。

图4. 邻二醇合成（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

综上，作者通过在电化学还原条件下对二氧化碳利用的研究，发现了二氧化碳的一种新的瞬态稳定化效应，并将其应用于偶氮化合物的电化学加氢和α-酮酯衍生物的还原偶联反应。该稳定化效应意味着高活性中间体可被二氧化碳捕获，以防止其分解或发生其他可能的副反应，从而完成直接方法难以实现的合成，而二氧化碳稍后可通过自发脱羧过程被释放。同时，该方法绕开传统的危险反应、昂贵催化剂和加热过程，为肼类化合物的合成提供了一种便捷方法。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上（作者：Yulei Zhao, Xuqiang Guo, Shuai Li, Yuhang Fan, Guo-Cui Ji, Mengmeng Jiang, Yin Yang, Yuan-Ye Jiang）。该成果由赵育磊副教授主导完成，硕士生郭旭强、李帅、范宇航及本科生蒋蒙蒙对实验部分作出重要贡献；蒋原野副教授及硕士生纪国翠为本文理论计算作出重要贡献；南开大学杨茵博士为该工作提供了有力的EPR测试支持。上述研究工作得到了山东省自然科学基金（ZR2021MB136、ZR2018BB026）及曲阜师范大学科研启动基金等经费支持。

赵育磊副教授课题组简介

课题组成立以来一直从事有机合成方法学方面的研究。该团队最近聚焦于二氧化碳转化和利用：一方面，借助电化学或传统合成手段，开发以二氧化碳为C1合成子的有机合成新方法；另一方面，专注于探索二氧化碳在合成化学中的新作用机制。成立3年来，课题组已经在国际知名学术期刊发表论文15篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.、Org. Lett.、Org. Chem. Front.、 J. Org. Chem.等国际知名期刊。课题组目前有硕士3名、本科科研训练生10余名。

赵育磊教授简介

赵育磊，曲阜师范大学化学与化工学院副教授，课题组组长，有机教研室主任。2005-2012年于曲阜师范大学攻读本科及硕士学位，硕士期间赴外联合培养。2012-2017年于华东师范大学攻读博士学位。2017年被曲阜师范大学聘为讲师，2019年12月晋升副教授。2022年获评曲阜师范大学“优秀研究生指导教师”。

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