CO2参与的有机合成方法学研究新进展

CO2参与的有机合成方法学研究新进展

本文对二氧化碳参与的有机合成方法学研究（不包括二氧化碳与环氧烷烃的环加成及交替共聚反应、超临界条件下二氧化碳参与的反应）的最新进展进行了总结归纳。具体内容包括合成羧酸，合成羧酸酯及新型金属有机配合物活化二氧化碳及其反应三部分。

一，合成羧酸

二氧化碳与Grignard试剂、有机锂等亲核试剂制备羧酸是经典的有机合成反应。而近几年发展起来的碳碳不饱键化合物与二氧化碳反应，有机锌、有机硼等亲核试剂与二氧化碳的催化转化合成羧酸是二氧化碳参与的有机合成方法学研究的热点[1]。

1，碳碳不饱键化合物与二氧化碳反应

丙烯酸是目前具有广泛用途且需求量巨大的一种重要化工原料。由二氧化碳与乙烯反应直接合成丙烯酸的方法倍受瞩目。从热力学上考虑此反应是完全可行的[2]，但到目前为止仍未开发出有效的催化剂，只是发现少数金属有机配合物能与CO2进行计量反应得到丙烯酸[3]。

一些低价态的金属有机配合物能与CO2及含有不饱和键的化合物反应得到金属杂五元环内酯化合物，这是CO2与含碳碳不饱和键化合物反应合成羧酸的理论基础[4]。

在零价镍配合物存在下，CO2能与炔烃、共轭二烯烃及联烯等在常压条件下反应形成相应的镍杂五元环内酯化合物，经酸化便得到相应的羧酸[5]。体系中加入DBU通常可促进反应的进行。由于镍杂五元环内酯化合物酸化后不能再生

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形成零价镍配合物，所以整个反应需要反应当量的零价镍配合物。

在以上反应体系中加入反应当量的烷基锌，使其与镍杂五元环内酯化合物进行金属交换反应，然后通过还原消除便可以实现零价镍配合物的再生，使零价镍配合物参与的的计量反应变成零价镍配合物催化的反应[6]。

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另外，在加入烷基锌的同时引入手性配体，可以实现某些反应底物的不对称羧化反应[7]。

2，有机锌、有机硼等亲核试剂与二氧化碳的催化转化

过渡金属催化的交叉偶联反应在过去的十几年中发展迅速，并且得到了广泛的应用。交叉偶联反应可以简单地看成是亲电试剂和亲核试剂的偶联反应。二氧化碳可以作为亲电试剂，因此，可以借用常规偶联反应中的亲电、亲核试剂的反应体系，实现某些亲核试剂与二氧化碳的催化反应。

(1) 有机锌试剂

在Negishi交叉偶联反应中，零价镍或钯配合物先与亲电试剂卤代烃进行氧化加成，再与有机锌试剂进行金属交换反应，而后还原消除得到偶联产物。零价镍或钯配合物可以和二氧化碳反应得到经典的Aresta型金属有机配合物[8]，因此，可以将常规的Negishi交叉偶联反应推广到有机锌试剂与二氧化碳的催化“偶联”反应来合成取代的羧酸。

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实验表明，在零价镍或钯配合物（可以通过二价金属盐与烷基锌反应原位生成）催化下，有机锌试剂可以有效地同二氧化碳反应得到相应的羧酸[9]。通过简易的合成方法得到的烷基锌试剂R-ZnI?LiCl[10]在零价镍催化下也能很容易与二氧化碳反应，使得有机锌试剂与二氧化碳反应合成羧酸的方法更加简单可行[11]。

(2) 有机硼试剂

施敏等发现在零价钯配合物催化下，二氧化碳可以插入烯丙基锡中的锡碳键[12]。此过程可以认为是零价钯配合物先与亲核试剂氧化加成，二氧化碳插入形成的钯碳键中，然后还原消除得到产物。这就说明一些不能被二氧化碳直接插入的亲核试剂可以通过以下方式实现二氧化碳的插入，从而经酸化最终催化转变成羧酸：寻找一种合适的催化剂与这种亲核试剂进行氧化加成或金属交换反应得到新的亲核试剂，二氧化碳可以直接插入到新的亲核试剂中，然后通过还原消除或金属交换反应重新得到催化剂。催化剂的选择完全可以借鉴交叉偶联反应的催化剂。

Iwasawa等人发现苯硼酸酯及烯基硼酸酯在Rh(I)配合物（可作为其他偶联反应的催化剂）催化下用二氧化碳可以实现羧化得到相应的羧酸[13]。

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Iwasawa等人发现含氮配体的Cu(I)配合物[14]，侯召民等人发现含氮杂环卡宾的Cu(I)配合物[15]也能有效催化取代苯硼酸酯及烯基硼酸酯与二氧化碳的羧化反应。相比于Rh(I)配合物催化剂，Cu(I)配合物催化剂耐官能团性更强。

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3，其他

Yoshida等人发现，仲胺、二氧化碳能与原位生成的芳炔一起反应得到邻胺基苯甲酸衍生物[16]。

二，合成羧酸酯

通常用二氧化碳合成羧酸酯时，由于反应最终通过还原消除步骤得到产物羧酸酯的同时催化活性物种得以再生，所以二氧化碳与不饱和烃类反应制备羧酸酯的反应大都催化反应，如早期研究的钯或铑配合物催化剂催化的丁二烯与二氧化碳的调聚合反应[17]、零价镍配合物催化剂催化的炔烃也二氧化碳的成内酯反应等[18]。

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Louie等研究发现在催化剂量的零价镍及氮杂环卡宾配体的存在下，二氧化碳能与二炔化合物在温和条件下进行[2+2+2]环加成反应生成吡喃酮衍生物[19]。

用二氧化碳合成羧酸时的催化体系也可以借鉴交叉偶联的催化体系。用亲电试剂+亲核电试剂+二氧化碳三组分合成羧酸酯时，其催化循环应该与相对应的亲电亲核试剂偶联反应的催化循环相似，只是其中多了二氧化碳插入这一基元反应步骤而已。因此，它们的催化体系也有相似之处。如在催化剂量的CuI及化学计量的K2CO3存在下，链状端二炔烃与端二溴或碘代烷烃、二氧化碳一起反应得到聚酯[20]；烯丙基锡化合物与氯代烃、二氧化碳在钯催化剂催化下反应生成羧酸酯等[21]。

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由于必须要考虑到二氧化碳插入这一关键步骤，所以并非所有的亲电亲核试剂偶联反应的催化体系中只要加入二氧化碳就能得到相应的羧酸酯。

同样是Yoshida等人发现，亚胺、二氧化碳能与原位生成的芳炔一起反应得到苯并恶嗪酮[22]。

三，新型金属有机配合物活化二氧化碳及其反应

二氧化碳一般通过配位到金属原子上的方式实现活化（也可通过氮杂环卡宾或其它有机强碱活化），其配位形式多种多样。近年来一些新的结构复杂的金属配合物与二氧化碳反应形成一些配位结构奇特的配合物，或者可以将二氧化碳还原成一氧化碳。所有这些金属配合物与二氧化碳的反应几乎都为化学计量反应。实现这些“可遇而不可求”的配合物对二氧化碳的催化转化依然任重道远。

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Castro-Rodriguez, I.; Nakai, H.; Zakharov, L. N.; Rheingold, A. L.; Meyer, K.

Science 2004, 305, 1757.

Yin, S.; Maruyama, J.; Yamashita, T.; Shimada, S. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47,

6590.

9

Yamashita, M.; Goto, K.; Kawashima, T. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 7294.

10

Lu, C. C.; Saouma, C. T.; Day, M. W.; Peters, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 4.

11

Lee, C. H.; Laitar, D. S.; Mueller, P.; Sadighi, J. P. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129,

13802.

Knobloch, D. J.; Toomey, H. E.; Chirik, P. J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4248.

12

Laitar, D. S.; Muller, P.; Sadighi, J. P. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17196.

Bhattacharyya, K. X.; Akana, J. A.; Laitar, D. S.; Berlin, J. M.; Sadighi, J. P.

Organometallics 2008, 27, 2682.

13

Whited, M. T.; Grubbs, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2008; 130, 5874.

14

参考文献

(1) (a) Sakakura, T.; Choi, J.-C.; Yasuda, H. Chem. Rev. 2007, 107, 2365. (b) Mori, M. Eur. J. Org. Chem. 2007, 4981.

(2) Aresta, M.; Dibenedetto, A. Catal. Today 2004, 98, 455.

(3) (a) Galindo, A.; Pastor, A.; Perez, P. J.; Carmona, E. Organometallics 1993, 12, 4443. (b) Schubert, G.; Papai, I. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14847. (c) Papai, I.; Schubert, G.; Mayer, I.; Besenyei, G.; Aresta, M. Organometallics 2004, 23, 5252.

(4) Behr, A. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1988, 27, 661.

(5) (a) Saito, S.; Nakagawa, S.; Koizumi, T.; Hirayama, K.; Yamamoto, Y. J. Org. Chem. 1999, 64, 3975. (b) Aoki, M.; Kaneko, M.; Izumi, S.; Ukai, K.; Iwasawa, N. Chem. Commun. 2004, 2568. (c) Takimoto, M.; Mori, M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 2895. (d) Takimoto, M.; Kawamura, M.; Mori, M. Org. Lett. 2003, 5, 2599.

(6) (a) Shimizu, K.; Takimoto, M.; Sato, Y.; Mori, M. Org. Lett. 2005, 7, 195. (b) Takimoto, M.; Mori, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 10008.

(7) Takimoto, M.; Nakamura, Y.; Kimura, K.; Mori, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5956.

(8) Aresta, M.; Nobile, C. F.; Albano, V. G.; Forni, E.; Manassero, M. J.Chem.Soc.,Chem.Commun. 1975, 15, 636.

(9) Yeung, C. S.; Dong, V. M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7826.

(10) Krasovskiy, A.; Malakhov, V.; Gavryushin, A.; Knochel, P. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 43, 6040.

(11) Ochiai, H.; Jang, M.; Hirano, K.; Yorimitsu, H.; Oshima, K. Org. Lett. 2008, 10, 2681.

(12) Shi, M.; Nicholas, K. M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5057.

(13) Ukai, K.; Aoki, M.; Takaya, J.; Iwasawa, N. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 8706.

(14) Takaya, J.; Tadami, S.; Ukai, K.; Iwasawa, N. Org. Lett. 2008, 10, 2697. (15) Ohishi, T.; Nishiura, M.; Hou, Z. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 5792. (16) Yoshida, H.; Morishita, T.; Ohshita, J. Org. Lett. 2008, 10, 3845.

(17) Behr, A.; Brehme, V. A. J. Mol. Catal. A: Chem. 2002, 187, 69.

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(18) (a) Hoberg, H.; Schaefer, D.; Burkhart, G.; Kruger, C.; Romao, M. J. J. Organomet. Chem. 1984, 266, 203. (b) Tsuda, T.; Yasukawa, H.; Komori, K. Macromolecules 1995, 28, 1356.

(19) Louie, J.; Gibby, J. E.; Farnworth, M. V.; Tekavec, T. N. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 15188.

(20) Oi, S. C.; Fukue, Y.; Nemoto, K.; Inoue, Y. Macromolecules 1996, 29, 2694.

(21) (a) Franks, R. J.; Nicholas, K. M. Organometallics 2000, 19, 1458. (b) Eghbali, N.; Eddy, J.; Anastas, P. T. J. Org. Chem. 2008, 73, 6932.

(22) Yoshida, H.; Fukushima, H.; Ohshita, J.; Kunai, A. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11040.

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(18) (a) Hoberg, H.; Schaefer, D.; Burkhart, G.; Kruger, C.; Romao, M. J. J. Organomet. Chem. 1984, 266, 203. (b) Tsuda, T.; Yasukawa, H.; Komori, K. Macromolecules 1995, 28, 1356.

(19) Louie, J.; Gibby, J. E.; Farnworth, M. V.; Tekavec, T. N. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 15188.

(20) Oi, S. C.; Fukue, Y.; Nemoto, K.; Inoue, Y. Macromolecules 1996, 29, 2694.

(21) (a) Franks, R. J.; Nicholas, K. M. Organometallics 2000, 19, 1458. (b) Eghbali, N.; Eddy, J.; Anastas, P. T. J. Org. Chem. 2008, 73, 6932.

(22) Yoshida, H.; Fukushima, H.; Ohshita, J.; Kunai, A. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11040.

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