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导读

近日，四川大学余达刚教授课题组报道了一种通用且实用的电还原镍催化体系，可实现未活化的芳基氯和烷基溴与CO2的电催化羧化反应。其中，各种未活化的芳基溴、碘和磺酸酯均能顺利反应。值得注意的是，通过该策略还实现了芳基（拟）卤化物与CO2的催化电化学羧化反应，从而避免了牺牲电极的使用。此外，该反应具有反应条件温和、底物范围广泛、官能团耐受性高等特点。机理研究表明，反应涉及芳基卤化物与Ni(0)配合物氧化加成、芳基-Ni(II)加成物还原为Ni(I)配合物以及CO2羧化过程。文章链接DOI：10.1038/s41467-021-27437-8

（图片来源：Nat. Commun.）

还原交叉偶联反应是构建C-C键的高效方法，可避免额外的合成步骤以及使用对水分敏感的有机金属试剂。近年来，以电子作为清洁还原剂的电化学领域备受关注。与直接电化学反应相比，电催化具有更低的电位和更好的官能团耐受性。其中，电化学过渡金属催化在还原交叉偶联反应中具有高效性。芳基卤化物与有机（拟）卤化物和含羰基化合物的电还原镍催化偶联已成为一种实用的策略。然而，大多数反应仅限于含有吸电子基团（EWGs）或缺电子杂芳烃的活化芳基卤化物。对于未活化芳基卤化物（如芳基氯）的电催化还原交叉偶联反应，仍具有难度。

由于CO2具有丰富、无毒和可回收的特性，有机卤化物与CO2的羧化反应是构建羧酸化合物最直接且有效的方法（Fig. 1a）。然而，由于热力学的稳定性以及动力学的惰性，导致其难以在温和的反应条件下反应。最近，过渡金属催化和光催化作为一种高效的催化方式，但常需使用额外的金属还原剂、昂贵的Ir光敏剂或反应性有机卤化物，从而限制了反应的应用。同时，对于活化的芳基（拟）卤化物、苄基和烯丙基酯的电催化羧化已被研究。然而，对于未活化芳基氯和未活化的卤代烷与CO2的选择性电催化羧化反应却很少被研究，可能是由于未活化有机卤化物和二氧化碳的低反应性以及存在许多副反应，如质子化、β-H消除、迁移和生成的有机金属试剂的同型二聚化以及产物的电化学脱羧。除底物范围限制外，还原电化学羧化主要依赖牺牲电极的使用。在此，四川大学余达刚教授课题组报道了一种实用的电化学镍催化体系，可实现芳基氯和未活化的烷基溴与CO2的电催化羧化反应（Fig. 1b）。下载化学加APP，阅读更有效率。

（图片来源：Nat. Commun.）

首先，作者以4-氯联苯1a与CO2作为模型底物，对羧化反应的条件进行了筛选。当以NiBr2•DME为催化剂，dtbbpy和DMAP作为混合氮配体，KOtBu作为碱，可在无隔膜电解槽中反应，以70%的收率得到产物2a。

在获得上述最佳反应条件后，作者对底物范围进行了扩展（Fig. 2）。首先，一系列具有不同电子性质的芳基氯化物和萘基氯化物（1a-1l），均可顺利反应，收率为52-75%。其次，一系列芳基上具有不同取代的芳基（拟）溴化物均为合适的底物（3a-3t），收率为43-91%。此外，芳基碘化物（3u-3w）和芳基磺酸酯（3x-3ab），也能顺利反应，收率为71-79%。值得注意的是，该策略具有良好的官能团耐受性，如羟基、氟、甲氧基、酯基、酮、烯基等都可兼容。

（图片来源：Nat. Commun.）

同时，通过对反应条件的再次优化后发现，一系列伯烷基溴化物（5a-5g），均可顺利反应，获得相应的烷基羧酸，收率为43-80%（Fig. 3）。同时，未活化的环状烷基溴化物（5h和5i）也是合适的底物，收率为44-59%。

（图片来源：Nat. Commun.）

紧接着，作者对无牺牲阳极的电化学羧化反应进行了研究（Fig. 4）。通过对反应条件的优化后，一系列未活化的芳基（杂）溴化物、对甲苯磺酸酯、甲磺酸酯和三氟甲磺酸酯（3a-3ae）均可与CO2顺利反应，收率为51-90%。其次，未活化的芳基氯化物（1a-1m）也是合适的底物，收率为50-73%。此外，一系列烷基溴化物/磺酸酯（5b、5c和5j）也可顺利反应，但反应性较低，收率为16-45%。

（图片来源：Nat. Commun.）

为了进一步了解反应的机理，作者进行了相关控制实验（Fig. 5）。首先，以LNi(acac)2作为预催化剂，3h可顺利进行羧化，获得产物4h，收率为78%（Fig. 5a）。同时，3h在Ni(COD)2和dtbbpy催化体系中，获得65%收率的产物4h，从而表明，反应预先形成LNi(acac)2（Fig. 5b）。其次，3ac可与等当量的Ni(COD)2反应，生成氧化加成物1-1（Fig. 5c），并具有相似的催化活性（Fig. 5d），从而表明1-1可能是催化循环中的关键中间体。此外，在1a的反应体系中，通过HRMS检测到配合物1-2的生成（Fig. 5e）。

（图片来源：Nat. Commun.）

此外，作者还进行了CV和UV-vis实验研究（Fig. 6）。研究表明，LNi(acac)2与Ni(acac)2和dtbbpy混合物的两种图谱几乎一致，从而表明预催化剂LNi(acac)2是通过Ni(acac)2和dtbbpy原位形成的（Fig. 6a, b）。同时，镍催化剂和配体之间发生了配位。并且，在CV图谱中发现两个不可逆的还原峰，从而表明镍催化剂可在阴极表面被还原为Ni(I)和Ni(0)配合物。下载化学加APP，阅读更有效率。

（图片来源：Nat. Commun.）

同时，作者还进行了其它镍催化CV测试（Fig. 7）。首先，在3h中存在Ni(acac)2和dtbbpy时，在-2.73 V处有一个陡峭的还原峰，为典型的催化电流。当使用LNi(acac)2代替Ni(acac)2和dtbbpy时，也可观察到类似的强催化电流（Fig. 7a）。上述结果表明，预形成的镍配合物可被还原为Ni(0)配合物，而催化电流归因于3h与Ni(0)配合物之间的氧化加成。同时，当引入CO2后，还原峰电流进一步增加，表明发生了羧化反应。其次，3b在-2.64 V处被还原，其在镍催化体系中的峰值电流与DMAP一起升高，表明DMAP提高了镍催化效率（Fig. 7b）。同时，在1-1的CV测试中，显示两个不可逆的还原峰，可能对应于1-1在阴极表面的还原（Fig. 7c）。此外，当1-1存在于CO2气氛中时，在-1.86/-2.27 V处出现了两个新的还原峰，表明氧化加成的配合物1-1被还原为Ni(I)配合物，然后与CO2进行羧化并进一步还原为Ni(0)配合物。综上所述，1-1是在电解过程中生成的，然后还原为Ni(I)配合物，再与CO2进行羧化反应。

（图片来源：Nat. Commun.）

最后，作者提出了一种可能的反应机理路径（Fig. 8）。首先，在阴极，Ni(acac)2与DMAP、dtbbpy反应，生成L″Ni(0)配合物A。随后，配合物A与芳基卤化物经氧化加成生成加成物B，经阴极还原为Ni(I)配合物C。配合物C与CO2反应生成羧酸镍中间体D。最后，经配体交换和羧酸镍配合物还原后，生成羧酸盐（经质子化获得目标产物）以及活性Ni(0)-催化剂A，从而完成催化循环。

（图片来源：Nat. Commun.）

总结：四川大学余达刚教授课题组开发了一种通用且实用的电还原镍催化体系，可实现未活化的芳基氯和烷基溴与CO2的电催化羧化反应。其中，各种未活化的芳基溴、碘和磺酸盐均能顺利反应。同时，使用DMAP作为附加配体和MgBr2作为Lewis酸显著提高了反应的效率。值得注意的是，该策略还实现了芳基（拟）卤化物与CO2的催化电化学羧化反应，从而避免了牺牲电极的使用。此外，该反应具有反应条件温和、底物范围广泛、官能团耐受性高等特点。机理研究表明，反应涉及芳基卤化物与Ni(0)配合物氧化加成、芳基-Ni(II)加成物还原为Ni(I)配合物以及CO2羧化过程。