福建物构所二氧化碳参与的选择性C–H键羧基化反应研究获进展

CO2一般被认为是主要的温室气体，但在化学家眼里它也是一种非常重要的廉价、丰富、安全和可再生的C1合成子。使用CO2来进行有机精细化学品的合成，是一个有利于社会可持续发展的前沿研究领域，一直以来都受到化学工作者的广泛关注，从而发展了各种利用CO2的策略。过渡金属催化的、CO2参与的芳香化合物C–H键羧基化反应，由于其具有高效、绿色及原子经济性等诸多优点，表现出了良好的发展潜力。此外，不同于传统碱性条件下的芳香羧基化反应，过渡金属催化的羧基化反应条件易于优化调控，从而可能适应于多种底物。然而，由于CO2分子本身的热力学和动力学稳定性，CO2参与的、过渡金属催化的直接对惰性C-H键进行羧基化反应的研究还非常有限，一直以来是催化领域的一项挑战性研究方向。目前这类反应的相关报道极其有限，局限于某些特殊缺电子芳香化合物以及较为苛刻条件下的特殊底物的羧基化反应。实现温和条件下、弱酸性/非活化的芳香化合物C–H键的选择性羧基化反应，目前还是一个很大的挑战。

中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室和中科院煤制乙二醇及相关技术重点实验室研究员李纲课题组，在国家“青年千人计划”、中科院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、福建省百人计划以及福建省自然科学基金等资助下，使用过渡金属Rh(II)作为催化剂，在配体的调控作用下，成功实现了氧化还原中性条件下的CO2参与的2-芳基苯酚类化合物的惰性芳香C–H键的位点选择性羧基化反应（图1a），得到3,4-苯并香豆素类化合物。该研究工作最显著的一点是突破了经典的碱性条件下的Kolbe-Schmitt反应的位点选择性（图1b），这类反应可以用来合成著名的阿司匹林药物。在以往涉及到Kolbe-Schmitt类反应的报道中，活性位点通常在富电子的苯酚环上羟基的邻位和对位；而在该报道中，作者通过在体系中加入醋酸铑及恰当的膦配体，即可将反应发生的位置调控到使用传统方法所不能达到的、活性差的芳香环的C–H键上（图1a）。其次，该反应的另一个优势是条件较为温和，不需要外加氧化剂和还原剂、体系简单；而且可以在一个大气压的CO2下完成，操作简便。同时，该反应的适用范围广泛。对于原料两个苯环上不同位置带有不同性质取代基的底物均具有很好的兼容性；而且，带有呋喃、噻吩、吡咯以及贫电子的吡啶环等杂环类底物，一样可以收到很好的反应结果。最后，催化剂Rh2(OAc)4的量可以降到1%，可以很好地适用于克级规模试验。另一方面，为了今后对此方法进行进一步的探索和扩展，作者对反应机理做了相关的研究，得到了可能的活性催化剂的金属配合物晶体结构，并在此基础上发现了更优良的配体。结合一系列的氘代实验与控制实验，作者提出了该反应可能的催化循环机理模型。该研究给CO2的活化和利用带来新的思路和催化体系，也为继续研究环金属配合物与二氧化碳的反应机理奠定了基础。上述研究成果发表在《自然-催化》上（Nat. Catal. 2018, DOI: 10.1038/s41929-018-0080-y）。

Rh(II)催化的CO2参与的选择性芳香环C–H羧基化反应