曲阜师大赵育磊教授课题组OL: 电驱动CO₂非C1合成子功能开发——促进电化学脱氟转化
二氧化碳是温室气体主要成分之一,其转化与利用备受关注。二氧化碳具有储量丰富、廉价、无毒、可循环再生等优点,作为一种理想的C1合成子,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,但二氧化碳更多被用作C1合成子,因此探索二氧化碳在有机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教授课题组在其前期工作基础上(如Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202213636; Org. Lett. 2023, 25, 9202; Org. Chem. Front. 2024, 11, 1184; Org. Lett. 2020, 22, 8326; Org. Lett. 2021, 23, 9140; Org. Lett. 2023, 25, 5911; Org. Lett. 2023, 25, 8771等),发现了二氧化碳的一种新的非C1合成子功能,开发了二氧化碳促进的三氟甲基脱氟氢化方法。曲阜师范大学蒋原野副教授课题组为该工作提供了重要理论计算支持。相关成果发表在Org. Lett.上(DOI: 10.1021/acs.orglett.5c01723)。
图1. 二氧化碳促进的三氟甲基电化学脱氟化(来源:Org. Lett.)
作者首先通过控制实验验证了二氧化碳的对三氟甲基电化学脱氟过程的有效促进作用。发现二氧化碳的存在可以显著促进反应进程,提高反应收率。随后对反应条件进行了细致考察。在确定了最佳反应条件后,首先对三氟甲基烯烃的可控脱氟氢化进行了考察(如图2)。发现常见的酯基和酰胺取代的三氟甲基烯烃都能很好地适用于该反应。此外,一些药物分子和天然产物分子的三氟甲基烯烃衍生物也能被用于该可控脱氟转化。作者还对三氟甲基共轭二烯烃的脱氟转化进行了考察,发现二氧化碳也具有显著的促进作用。而由此得到的二氟甲基单烯烃或者二氟甲基共轭二烯烃还可在这一二氧化碳促进作用下,选择性脱氟氢化得到相应的单氟甲基烯烃或单氟甲基共轭二烯烃(详见论文正文)。
图2. 底物适用范围研究(来源:Org. Lett.)
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(如图3);密度泛函(DFT)理论计算显示CO2可以捕获自由基阴离子中间体形成氧负离子碳自由基,从而降低还原电势促进进一步阴极还原。
图3. 可能得反应机理(来源:Org. Lett.)
总之,该研究发现了二氧化碳在三氟甲基电化学脱氟反应中发挥了一种有趣的非C1合成子类促进剂作用。二氧化碳的引入调节了自由基阴离子中间体的电子分布,从而降低了还原电位,促进了还原脱氟。适当吸电子取代基的存在至关重要。首先,三氟甲基的β位上的吸电子基团可以增强该位置的负电荷积累,从而有利于对二氧化碳的亲核进攻。其次,当羧基的α位存在吸电子基团时,脱羧反应更易发生,从而在完成促进过程后有利于二氧化碳的去除。反应中独立重排步骤还充当了一个有效的控制开关,可在一定程度上防止过度脱氟。该研究揭示了二氧化碳的一种独特用途,将激发化学家们对开发二氧化碳的非C1合成子功能及其与其他方法相结合的研究兴趣。
这一成果由赵育磊教授主导完成,硕士生张子轩及本科生张展硕、刘桂铭对实验部分作出重要贡献;感谢蒋原野副教授及硕士生刘杰为本文提供了有力的理论计算支持。上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目(22371164)、山东省自然科学基金面上项目(ZR2021MB136)和国家大创项目(202410446004)等经费支持
Non-C1 Synthon Role of CO2: Promoting Divergent Electrochemi-cal Defluorination
Zixuan Zhang,+ Jie Liu,+ Zhanshuo Zhang, Guiming Liu, Yuan-Ye Jiang* and Yulei Zhao*
Organic Letters
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