二氧化碳作為羧源合成含氮雜環(huán)化合物及α-氨基酸研究一、研究背景在當(dāng)前全球氣候變化與能源轉(zhuǎn)型的大背景下，二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用成為科研領(lǐng)域的焦點之一。二氧化碳作為一種儲量豐富、廉價易得、無毒且可再生的碳一資源，若能實現(xiàn)其高效轉(zhuǎn)化，不僅有助于緩解溫室氣體排放帶來的環(huán)境壓力，還能為化工生產(chǎn)提供新的原料來源。在有機(jī)合成化學(xué)中，將二氧化碳作為羧源引入到含氮雜環(huán)化合物及α-氨基酸的合成中，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。含氮雜環(huán)化合物廣泛存在于醫(yī)藥、農(nóng)藥和材料分子中。例如，在醫(yī)藥領(lǐng)域，超過50%的目前美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)上市的藥物都包含氮雜環(huán)片段。常見的含氮雜環(huán)如吡啶、喹啉等，其直接官能團(tuán)化可高效實現(xiàn)重要分子的合成或后修飾。然而，傳統(tǒng)合成含氮雜環(huán)化合物的方法常受到特定試劑（有毒、昂貴或難以獲取的化學(xué)品）、苛刻反應(yīng)條件或復(fù)雜后處理過程的限制。另一方面，α-氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單元，在生物化學(xué)、藥物研發(fā)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。利用二氧化碳合成α-氨基酸，尤其是通過極性反轉(zhuǎn)羧化過程，是一項具有挑戰(zhàn)性但極具潛力的研究方向。但由于二氧化碳本身熱力學(xué)穩(wěn)定且動力學(xué)惰性，開發(fā)有效的策略來活化二氧化碳并將其選擇性地引入目標(biāo)分子中成為研究的關(guān)鍵難點。二、二氧化碳作為羧源合成含氮雜環(huán)化合物（一）銅催化鄰炔基苯胺與二氧化碳合成4-羥基喹啉-2-酮研究人員設(shè)計構(gòu)建了銅催化的鄰炔基苯胺與二氧化碳合成4-羥基喹啉-2-酮化合物的新反應(yīng)體系。在該體系中，反應(yīng)機(jī)理如下：鄰炔基苯胺首先與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成氨基甲酸鹽化合物。隨后，該化合物發(fā)生C-O鍵斷裂重排，生成含異氰酸酯及烯醇結(jié)構(gòu)的中間體。最后，經(jīng)過分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)，成功得到4-羥基喹啉-2-酮。這一催化反應(yīng)體系為4-羥基喹啉-2-酮類化合物的合成提供了一種更為高效綠色的方法，避免了傳統(tǒng)方法中可能使用的有毒有害試劑，且反應(yīng)步驟相對簡潔，原子經(jīng)濟(jì)性較高。（二）無過渡金屬參與的氯代腙和二氧化碳的(3+2)環(huán)加成反應(yīng)科研團(tuán)隊開發(fā)了一種無過渡金屬參與的、由氟化銫和18-冠-6共同促進(jìn)的氯代腙和二氧化碳的(3+2)環(huán)加成反應(yīng)體系，能夠高效合成一系列N-烷基取代的1,3,4-噁二唑-2-酮類化合物。該反應(yīng)體系具有廣泛的底物適用性，并且成功應(yīng)用于合成一種選擇性單胺氧化酶（MAOB）抑制劑和除草劑惡草酮，顯示出良好的應(yīng)用前景。通過原位核磁和對照實驗研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)18-冠-6/CsF的量可以改變腈亞胺中間體的生成速率。同時，釋放的氟離子可能對二氧化碳有活化作用，從而促進(jìn)(3+2)環(huán)加成反應(yīng)的順利進(jìn)行。這一體系避免了過渡金屬催化劑帶來的成本問題和潛在的金屬殘留污染，符合綠色化學(xué)的發(fā)展理念。（三）功能化離子液體催化體系利用離子液體結(jié)構(gòu)可設(shè)計修飾的特點，研究人員研制出適合催化活化二氧化碳的含脲、堿性以及酸堿雙功能離子液體。在功能化離子液體催化體系中，考察了其對二氧化碳、環(huán)氧化合物和有機(jī)胺反應(yīng)性能的影響，開發(fā)出一種化學(xué)固定二氧化碳并高效、高選擇性地合成含氮雜環(huán)化合物的方法。例如，開發(fā)了一種雙元離子液體以及有機(jī)堿/離子液體協(xié)同催化二氧化碳、環(huán)氧化合物和芳香胺“一步法”高效制備3-芳基-2-噁唑烷酮的新方法。在該協(xié)同催化體系中，Br?促進(jìn)二氧化碳環(huán)加成以及環(huán)氧化物的開環(huán)反應(yīng)生成碳酸酯和芳胺基醇，OAc?以及有機(jī)堿促進(jìn)上述產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)生成3-芳基-2-噁唑烷酮，兩種催化活性中心缺一不可，協(xié)同促進(jìn)了反應(yīng)的高效進(jìn)行。通過原位核磁共振技術(shù)和DFT理論計算等驗證了上述實驗結(jié)果，并得到了總反應(yīng)以及各分步反應(yīng)的能線圖，提出了協(xié)同催化反應(yīng)機(jī)理。（四）電解池調(diào)控氮雜芳烴羧基化四川大學(xué)余達(dá)剛教授課題組與美國康奈爾大學(xué)林松課題組合作，利用二氧化碳作為理想的羧基源，通過改變電解池實現(xiàn)了氮雜芳烴直接高效且區(qū)域選擇性可調(diào)控的羧基化反應(yīng)。具體來說，在分隔型電解槽中主要得到C5位羧基化（煙酸）產(chǎn)物，而在非分隔型電解槽中則主要得到C4位羧基化（異煙酸）產(chǎn)物。該反應(yīng)具有良好的底物適應(yīng)性和官能團(tuán)的兼容性，對一系列取代吡啶、喹啉和其他相關(guān)氮雜芳烴都能以中等至優(yōu)良的收率得到重要氮雜芳基羧酸。通過大量條件優(yōu)化、機(jī)理實驗和理論計算，成功實現(xiàn)了區(qū)域選擇性可調(diào)控的氮雜芳烴羧基化反應(yīng)，并解釋了選擇性調(diào)控的可能原因。這一成果為重要含氮雜環(huán)羧酸類化合物的制備提供了新方法，也為二氧化碳資源化利用、碳?xì)滏I官能團(tuán)化以及反應(yīng)選擇性調(diào)控提供了新思路。三、二氧化碳作為羧源合成α-氨基酸（一）無過渡金屬參與的芳基醛（酮）亞胺和二氧化碳羧化反應(yīng)設(shè)計構(gòu)建了無過渡金屬參與的、叔丁醇鉀作為堿、18-冠-6作為添加劑促進(jìn)的芳基醛（酮）亞胺和二氧化碳通過極性反轉(zhuǎn)直接羧化的反應(yīng)體系，能夠高化學(xué)選擇性、高區(qū)域選擇性地合成一系列包含不同取代基的α-芳基甘氨酸酯類化合物。通過原位紅外、原位核磁和DFT計算等研究發(fā)現(xiàn)，18-冠-6的存在不僅可以穩(wěn)定氮雜烯丙基中間體，抑制1,3-氫遷移副反應(yīng)的發(fā)生，同時可以穩(wěn)定羧化反應(yīng)形成的羧酸鹽中間體，抑制脫羧反應(yīng)的進(jìn)行。這一反應(yīng)體系避免了過渡金屬的使用，降低了成本和潛在的金屬污染風(fēng)險，且反應(yīng)的選擇性高，為α-芳基甘氨酸酯類化合物的合成提供了一種綠色、高效的新途徑。（二）可見光/金屬協(xié)同催化烯烴氮羧基化余達(dá)剛教授和葉劍衡研究員團(tuán)隊開發(fā)了可見光/金屬協(xié)同催化策略，實現(xiàn)了二氧化碳參與的烯烴氮羧基化反應(yīng)。該團(tuán)隊通過可見光催化烯烴單電子還原，產(chǎn)生親核性的自由基陰離子，然后與二氧化碳反應(yīng)實現(xiàn)β選擇性羧基化，再結(jié)合銅催化的自由基型C-N偶聯(lián)反應(yīng)，以簡單易得的烯烴、胺和二氧化碳為原料，高效高選擇性合成了一系列高附加值的β-氨基酸衍生物。該反應(yīng)的核心在于發(fā)展的強(qiáng)還原性的聯(lián)萘酚光催化劑和銅催化劑之間能夠很好兼容，組成高效的可見光/金屬協(xié)同催化體系。該體系克服了烯烴難單電子還原、自由基中間體易發(fā)生過度還原、氫原子轉(zhuǎn)移和自由基二聚等副反應(yīng)的挑戰(zhàn)，為烯烴自由基陰離子的正交官能團(tuán)化轉(zhuǎn)化提供了新思路。四、研究總結(jié)與展望通過對二氧化碳作為羧源合成含氮雜環(huán)化合物及α-氨基酸的研究，開發(fā)了多種新穎的反應(yīng)體系，揭示了相關(guān)反應(yīng)機(jī)理，為這兩類重要化合物的合成提供了綠色、高效的新方法。在含氮雜環(huán)化合物合成方面，實現(xiàn)了從不同起始原料出發(fā)，通過催化體系的創(chuàng)新和反應(yīng)條件的優(yōu)化，高選擇性地構(gòu)建各類含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)。在α-氨基酸合成中，突破了傳統(tǒng)方法的局限，利用極性反轉(zhuǎn)、光催化與金屬催化協(xié)同等策略，成功將二氧化碳引入到α-氨基酸的骨架中。然而，目前的研究仍存在一些挑戰(zhàn)和需要改進(jìn)的地方。例如，部分反應(yīng)體系的催化效率還有提升空間，反應(yīng)條件的溫和性有待進(jìn)一步優(yōu)化，以降低能耗和成本。此外，對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的含氮雜環(huán)化合物和α-氨基