近日，Angewandte Chemie International Edition 在线发表了新疆大学张永红/刘晨江团队最新研究成果 “Electrochemical Controllable Divergent Carboxylation andHydrocarboxylation of Alkynes with CO₂”。新疆大学化学学院、省部共建碳基能源资源化学与利用国家重点实验室研究生陈浩敏和赵秀丽为论文共同第一作者，新疆大学张永红/刘晨江教授为共同通讯作者，新疆大学为第一署名单位。

背景介绍

炔烃作为从电石煤化工获得的重要原料，其高值化转化对碳资源利用至关重要。CO₂作为廉价、无毒的C1源，与炔烃反应可直接合成羧酸类高附加值产品，但面临热力学稳定性和动力学惰性的双重挑战。现有金属催化策略需使用贵金属、化学计量还原剂及苛刻条件，且难以实现反应路径的精准调控。电化学合成利用电子为清洁氧化还原剂，通过调节电位和电解质可操控反应进程，为CO₂与炔烃的绿色转化提供了新机遇。

研究思路

本研究提出通过电极材料、溶剂和电解质的协同调控，实现同一反应体系中四种不同转化路径的精准切换：在DMF溶剂中优先发生直接羧基化生成炔酸；在CH₃CN中则倾向氢羧基化生成肉桂酸；对共轭体系扩展的底物可实现双羧基化生成富马酸/琥珀酸衍生物。其核心在于利用不同介质中生成的碳阴离子/自由基中间体与CO₂反应的选择性控制。

Scheme 1 a) Previous studies on carboxylation of alkynes with CO₂. b) This work: controllable divergent carboxylation of alkynes with CO₂.

条件优化

以苯乙炔与CO₂为模型反应，系统筛选发现：Mg阳极/C阴极、nBu₄NPF₆电解质、DMF溶剂组合（条件A）可高效生成苯丙炔酸2a（收率85%）；而将溶剂换为CH₃CN并采用nBu₄NI电解质（条件B）则主要得到氢羧基化产物肉桂酸4a（收率83%）。关键发现是碘离子促进自由基路径，而质子性溶剂抑制过度还原。电极材料中Mg阳极的牺牲特性有助于维持还原环境，石墨电极则效果较差。

底物拓展

该策略展现优异普适性：

直接羧基化：耐受对位/间位甲基、叔丁基、甲氧基等供电子基芳炔（2b-2d, 2g-2h, 42-88%），但氟、氯等吸电子基活性较低（2e-2f, 2i）。脂肪炔如环丙基乙炔也能以71%收率转化（2q）。

氢羧基化：涵盖萘（4l）、菲（4n）、噻吩（4o-4p）等稠环/杂环炔烃，且二芳基炔烃能以76-94%收率生成二氢羧基化产物（4r-4w）。

双羧基化：4-乙炔基联苯类底物在TEMPO添加剂下可进一步转化为琥珀酸衍生物5x-5z（收率60-83%）。

Scheme 2 Substrate scope of mono- and di-carboxylation. Reaction conditions: 1 (0.2 mmol), 1 atm CO₂ balloon, ⁿBu₄NPF₆ (0.1 mmol), DMF (3 mL), undivided cell, Mg anode, C cathode, R.T., 10 mA, 3 h. ^a) 4 h.

Scheme 3 Substrate scope of mono- and di-hydrocarboxylation. Reaction conditions B: 1 (0.2 mmol), 1 atm CO₂ balloon, ⁿBu₄NI (0.1 mmol), CH₃CN (3 mL), undivided cell, Mg anode, C cathode, R.T., 8 mA, 3 h. ^a) Reaction conditions C: 1 (0.2 mmol), 1 atm CO₂ balloon, ⁿBu₄NPF₆ (0.1 mmol), CH₃CN (3 mL), TEMPO (20 mol%), undivided cell, C anode, Fe cathode, R.T., 10 mA, 4 h.^b) 10 mA.

应用研究

克级实验验证实用性：5 mmol规模反应成功获得2b（1.1 g）和5z（1.4 g）。该策略为天然产物合成提供关键中间体，如从苯乙炔两步构建肉桂酸衍生物（药物分子前体），从4-乙炔基联苯一锅法合成琥珀酸类化合物（生物活性分子骨架）。连续流动电解实验显示反应可放大百倍而不损失效率。

机理研究

通过自由基捕获、同位素标记和CV实验揭示多重路径：D₂O实验证实炔烃先发生H/D交换生成碳阴离子，再与CO₂亲核加成（直接羧基化路径）；EPR检测到CO₂⁻•和炔基自由基信号，支持自由基-阴离子串联机制（氢羧基化路径）；氘代实验显示CH₃CN溶剂可作为质子源，且α,β-双氘代产物证明碳阴离子中间体存在；CV显示共轭炔烃还原电位显著负移（-2.24 V vs. -1.87 V），促进双电子还原生成双羧基化产物。

Scheme 4 Mechanistic studies. a) Radical trapping experiments. b) Trapping of the carbanion intermediate with different electrophiles. c) Deuterium labeling experiments. d) Synthesis of 5z from 3z under N₂.

Scheme 5 Proposed reaction mechanism.

总结

本研究开发了首例电化学可控的炔烃-CO₂发散性转化策略，通过调节溶剂/电解质实现了炔酸、肉桂酸、富马酸和琥珀酸衍生物的选择性合成。该方法无需金属催化剂、外加还原剂和配体，条件温和，底物范围宽泛，为CO₂高值化利用和羧酸类化合物绿色合成提供了新范式。

新疆大学分析测试中心王斌高级实验师为本论文第三作者，为本论文中化合物的结构表征（¹H, ²D, ¹³C, ¹⁹F等），机理研究提供了相关的测试服务工作及数据分析等工作（Bruker Avance NEO 600 核磁共振波谱仪，负责人：王斌）

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202520335

供稿：王斌；编辑：王斌；审核：金钟。