阴极氢原子转移策略：利用二氧化碳对二苄位C(sp3)–H键进行电化学羧基化

《ChemElectroChem》：A Cathodic Hydrogen Atom Transfer Strategy for Electrochemical Carboxylation of Dibenzylic C(sp3)?H Bonds With CO2

语 面对C(sp3)–H键与CO2的直接羧基化难题，本研究开创性地提出一种阴极生成氢原子转移（HAT）物种的全新电化学策略。该研究成功利用二苯乙二酮（benzil）在阴极还原生成的活性物种，在温和条件（室温、1 atm CO2）下高效实现了二苄位C(sp3)–H键的活化与羧基化，最高产率达69%。其核心突破在于所有关键步骤（HAT物种生成、C–H键断裂、CO2掺入）均在同一阴极界面完成，克服了传统阳极HAT策略依赖中间体跨电极扩散的根本性限制，为惰性化学键的电化学功能化提供了一个机理清晰、高效集成的平台。

　　

论文解读

将温室气体二氧化碳（CO₂）转化为高附加值的化学品，是实现可持续化学经济的关键策略之一。其中，利用CO₂对有机分子进行直接羧基化，能够高效构建在药物、生物活性分子和精细化学品中无处不在的羧酸结构，是一条极具吸引力的合成路径。在众多潜在底物中，广泛存在于有机分子中的C(sp³)–H键（即饱和碳氢键）的直接羧基化，被视为从丰富资源生产有价值化学品的理想途径。然而，这一转化长期以来面临巨大挑战，因为两个反应伙伴都“天性懒惰”：CO₂具有很高的热力学稳定性和动力学惰性，而C(sp³)–H键通常具有很高的键解离能。为了激活它们，化学家们尝试了多种策略，包括使用金属试剂、光氧化还原催化等，但多数体系仍需要高温、高压、过量氧化还原试剂或紫外照射等苛刻条件。

电化学转化通过电极上的电子转移来精确驱动反应，为在温和条件下实现此类转化提供了充满希望的替代方案。近期，Qiu等人报道了首例苯位C(sp³)–H键与CO₂的电化学羧基化工作，其关键在于在阳极氧化生成的氯自由基介导了氢原子转移（Hydrogen Atom Transfer, HAT）过程，从而断裂C-H键。尽管如此，该体系存在一个根本性局限：产生于阳极的底物自由基中间体，必须扩散到阴极才能进一步与CO₂结合生成最终产物。这种对中间体跨电极扩散的依赖，严重制约了反应的实用性和普适性。那么，能否设计一个系统，让HAT物种直接在阴极还原生成，并使C-H键断裂和后续的CO₂掺入都在同一个电极上完成呢？这是一个诱人但尚未充分开发的设想。

为此，研究人员在《ChemElectroChem》上发表了一项突破性研究，报告了一种全新的电化学策略。他们以芴（fluorene）为模型底物，成功实现了二苄位C(sp³)–H键与CO₂的羧基化，其核心在于利用在阴极还原生成的HAT物种来活化C-H键。这代表了罕见的由阴极生成HAT物种介导的C(sp³)–H键功能化案例。该反应在极其温和的条件下顺利进行：室温、1个大气压的CO₂、无需金属催化剂或外部牺牲氧化还原试剂，仅需2小时反应时间，就能以高达69%的产率获得羧基化产物。更重要的是，由于HAT物种直接在阴极生成，整个CO₂掺入过程得以在同一电极界面完成，彻底摆脱了对中间体跨电极扩散的依赖。

为开展这项研究，作者们综合运用了多种关键的电化学与谱学分析技术。主要包括：利用循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV） 探究关键试剂（如二苯乙二酮，benzil）在不同气氛（Ar与CO₂）下的氧化还原行为；通过CV模拟（CV simulation） 并结合控制电位电解（Controlled Potential Electrolysis, CPE） 实验，深入剖析并验证了反应所涉及的复杂电子转移-化学反应（EC）及CO₂耦合的电子转移（CCET）等多步机理；借助同位素标记实验（使用¹³CO₂），并通过核磁共振（¹³C NMR）和高分辨质谱（HRMS）分析，确证了产物中的羧基碳完全来源于通入的CO₂气体。这些技术的联用，为阐明这一新颖反应路径提供了坚实的实验证据。

以下是根据原文“结果与讨论”部分的小标题，对研究发现的简要归纳：

2.1 对还原生成HAT物种的研究

研究人员系统筛选了多种潜在的HAT前体。结果表明，能够在阴极还原形成酮基自由基（ketyl radical）的羰基类化合物（如二苯乙二酮，benzil）能够有效促进羧基化反应，而需要通过阳极氧化才能产生活性HAT物种的前体（如N-羟基邻苯二甲酰亚胺、胺、硫醇、羧酸等）则完全无效。这初步证明了在阴极还原生成HAT物种对于该羧基化反应至关重要。

2.2 CV研究

对最优HAT前体二苯乙二酮（10）的CV研究表明，在Ar气氛下，它在-1.53 V（vs. Fc/Fc⁺）处有一个可逆的还原波。而在CO₂气氛下，这个还原波变得不可逆且阴极电流增强，并在约-1.8 V处出现一个新的还原事件。这表明10的单电子还原物种会与CO₂发生反应（一个EC过程），并且生成的中间体可以进一步被还原。

2.3 CV模拟

对CV数据进行模拟发现，第二个还原步骤的电子转移速率常数极低，远低于典型的外层电子转移过程。这强烈表明该还原不是一个简单的电子转移（E）过程，而是与一个化学反应相耦合。

2.4 不同CO₂比例下的CV和CV模拟

在CO₂/Ar混合气氛下进行CV测试发现，随着CO₂浓度增加，第二个还原波发生正移，而第一个还原波基本不变。模拟结果也证实了这一点。这明确表明第二个还原步骤直接与一个涉及CO₂的化学反应相耦合，即一个CO₂耦合的电子转移（CO₂-coupled electron transfer, CCET）过程。

2.5 用于1与CO₂羧基化的CPE

CPE实验在不同电位下进行，以选择性产生可能的中间体。结果显示，在-1.8 V（对应CCET过程发生的电位）和-3.0 V下电解能高产率得到羧基化产物，而在-1.5 V（仅对应第一步EC过程）下则没有产物。这证明只有通过CCET过程生成的物种（17）才是能够驱动羧基化反应的活性HAT物种。

2.6 同位素标记实验

使用¹³CO₂进行反应，并将产物酯化后，通过¹³C NMR和HRMS分析，确凿地证明了产物羧基中的碳原子来源于通入的CO₂气体。

2.7 提出的反应机理

基于以上机理研究，提出了一个合理的反应机理：二苯乙二酮（10）在阴极被单电子还原，其还原产物与CO₂反应（EC过程）生成碳酸酯中间体16；该中间体进一步通过一个CCET过程被还原，生成作为活性HAT物种的17；17从底物芴（1）的苄位C-H键上抽取氢原子，生成自由基18；18在阴极被还原为碳负离子19；最后，19亲核进攻CO₂并经质子化后，得到最终的羧基化产物2。

2.8 优化研究

通过对电极材料、施加电压、反应时间、电解质浓度以及HAT前体当量等参数的系统优化，最终确定了最优反应条件：以钴为阴极、镁为阳极，施加3.0 V电压，在含有0.50 M高氯酸四丁基铵的乙腈溶液中，使用2当量的二苯乙二酮，在1 atm CO₂下室温反应2小时，能以69%的产率获得目标产物。控制实验证实，缺少HAT前体、CO₂或电解过程，反应均不能发生。

结论与意义

本研究成功开发了一种用于二苄位C(sp³)–H键与CO₂羧基化的全新电化学系统。其核心贡献在于利用在阴极还原生成的HAT物种来活化惰性的C-H键，这代表了C(sp³)–H键功能化领域一个罕见的机理范例。与Qiu等人开创性的阳极HAT策略相比，本研究的最大优势在于所有关键基元步骤（HAT物种生成、C–H键断裂、CO₂掺入）都被紧凑地集成在同一个阴极界面完成，从而克服了依赖反应中间体跨电极扩散的根本性限制，提升了反应的效率和潜在实用性。

更为重要的是，深入的机理研究揭示了一个超出最初设想的、令人意外的特征：CO₂并不仅仅是在C-H键活化后才被引入的偶联伙伴，而是从一开始就深度参与了活性HAT物种的生成。具体来说，HAT前体的还原物种优先与CO₂结合，生成的CO₂衍生中间体（通过EC和随后的CCET过程）才是真正的活性HAT物种。这一发现凸显了CO₂在该反应中扮演的内在角色——它既是底物，也是活性物种生成的关键组成部分。

因此，该工作所建立的不仅是一个高效的合成方法，更是一个“机理清晰”的反应平台。在这个平台上，CO₂的捕获、还原性HAT物种的生成以及C-H键的活化被本质地耦合在一起。这种集成的反应环境为理解观测到的反应性提供了框架，并有望在未来进一步推动反应产率、速率和普适性的提升。总之，这项研究为基于还原生成HAT物种的惰性化学键电化学转化，开辟了一条根本性不同且实用的新途径。