来源：南开化学

第一作者：Shibiao Tang（汤士标）

通讯作者：王佰全教授

单位：南开大学

背景

二氧化碳（CO₂）一方面是引发气候与环境问题的温室气体，同时又是一种无毒、廉价、可再生的重要C1资源。将二氧化碳进行化学转化生成高附加值的化学品既符合绿色化学原则又具有经济性。羧基作为重要的有机官能团，广泛存在于多种活性天然产物、药物、农药、日用品化学品和功能材料中。而利用CO₂与有机分子进行催化羧化反应是制备羧酸及衍生物的最简洁和原子经济的合成路径。

近年来，卤代芳烃及其类似物与CO₂的直接羧基化反应相继被报道，但是复杂分子骨架与CO₂的直接羧基化反应仍然无法实现。2019年以来，Ritter等通过对复杂分子的高度位点选择性C−H键锍化（Nature. 2019, 567, 223-228），间接实现了一系列芳基C−H键官能化反应，这是复杂芳烃官能化修饰的关键突破，但是，这些转化均依赖贵金属钯或者光催化的体系，此外，由于CO2的动力学惰性和热力学稳定性，这些硫鎓盐底物与CO₂的羧化反应始终难以实现。

工作介绍

本工作实现了首例复杂芳烃的选择性后期C−H羧基化反应。该反应以廉价的铜盐为催化剂，可以在室温、1标准大气压CO₂的条件下对吉非罗齐等多种药物分子骨架实现选择性羧基化修饰。相较于文献报道的卤代芳烃与CO₂的直接羧化反应，该体系由于可以从C−H活化出发，展现出了更加广泛的官能团耐受性与底物范围性，具有较大的应用潜力。

该成果以《Copper-Catalyzed Carboxylation of Aryl Thianthrenium Salts with CO2》为题发表在国际化学顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，博士生汤士标为文章第一作者。

图1. 铜催化芳基噻蒽鎓盐与CO₂的羧基化反应  

通过对铜盐、配体、还原剂和溶剂等条件的大量筛选，作者选择了以草酰二苄胺为配体，二乙基锌为还原剂的标准反应体系。在该最优条件下，作者对底物的适用范围进行了考察。结果表明，除了常规底物，包含单取代或多取代的卤原子、酯基、氰基等活泼取代基的底物也展现出良好的适应性。而对醚菊酯、吉非罗齐等复杂药物骨架，该体系依旧可以实现选择性羧基化修饰。和已报道的羧基化反应相比，本文首次实现了复杂芳烃的选择性后期C−H与CO2的羧基化反应，并展现出了更突出的官能团耐受性与底物广泛性。

图2. 底物适用范围

接着，作者通过一锅法放大实验考察了该体系在药物合成与工业生产等方面的应用潜力，结果表明，直接从药物分子或含有溴原子的复杂芳烃出发，均能够以克级规模一锅法高效得到羧化产物，生成的噻蒽（TT）也能够以良好的总收率进行回收。含溴芳香羧酸的后续官能团转化潜力也得到了验证。

图3. 串联放大实验与应用转化

在反应机理方面，通过自由基捕获、C−S断裂探索、芳基铜化合物的直接羧化、体系气体检测等一系列探索实验，作者给出了由活性零价铜启动，经单电子转移得到一价芳基铜物种，继而进行CO2插入的反应机理，二乙基锌作为还原剂在催化循环过程中起到了关键的作用。

图4. 反应机理研究

总结

总之，王佰全教授课题组报道了首例复杂芳烃化合物与CO2的选择性后期C-H键羧基化反应，反应采用廉价铜催化剂，条件温和简单，并展现出了强大的官能团耐受性与放大可行性，在常规芳香羧酸的工业合成与复杂药物分子的后期碳氢键羧基化修饰方面具有较大的应用潜力。王佰全教授团队仍在探索更加温和高效的羧化反应体系，以期丰富二氧化碳合成转化领域的研究新进展。

原文：

Copper-Catalyzed Carboxylation of Aryl Thianthrenium Salts with  CO2.

Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202212975

Shibiao Tang, Xiaobo Zhao, Lidong Yang, Bin Li, Baiquan Wang*

First published:04 October 2022 | https://doi.org/10.1002/anie.202212975