银催化炔基化合物与二氧化碳的常压转化反应

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随着科学技术的进步和工业化进程的不断推进,人类社会对化石燃料的依赖日益加剧,燃烧所产生的过量二氧化碳(CO2)引起的诸多环境与气候问题也日趋严重。从合成化学的角度审视,二氧化碳是一种来源广泛、储量丰富、无毒无害、廉价可再生的优质C1碳源,以二氧化碳生产精细化学品具有巨大的潜在应用价值。然而,二氧化碳分子结构所决定的热力学与动力学稳定性使它很难被直接应用于有机合成。因此,设计有效的转化途径、选择合适的催化剂以降低反应能垒并活化底物和二氧化碳分子成为了目前二氧化碳化学的研究热点。炔基化合物是一类包含碳碳叁键的高活性反应底物,适用于二氧化碳转化反应,且所得目标产物具有较高的生物活性或合成应用价值;另一方面,银具有特殊的d10电子构型,是一种良好的π-Lewis酸,因此对于炔基有良好的催化活化作用,基于此,炔基化合物与二氧化碳在银催化剂作用下转化为精细化学品的反应途径成为了目前二氧化碳化学的一个研究热点。围绕这一主题,本文主要开展了以下几部分研究工作:(1)设计并合成了一系列带有磺酸基团的氮杂环卡宾(NHC)前驱体,并与氧化银、碘化钾组成催化体系(NHC/Ag催化体系),用于催化端炔与二氧化碳的羧基化反应。结果表明,这一系列催化体系对于各类端炔的羧基化反应具有很高的催化活性,尤其对芳香型端炔底物的催化剂量达到目前所报道的最低水平。在反应机理研究中,本文首次以核磁共振碳谱(13C NMR)观测到反应体系中生成了NHC-CO2加合物,由此证明了这种二氧化碳活化机制可以应用于该反应。(2)将上述NHC/Ag催化体系应用于炔丙醇类化合物与二氧化碳环合生成α-亚甲基环碳酸酯的反应。结果表明,该催化体系在无需外加碱且温和的反应条件下即可实现包括芳香型内炔底物在内的多种类型炔丙醇底物的高效转化。在反应机理研究中,本文通过13C NMR证实了反应过程中有NHC-CO2加合物生成。(3)设计了一种碘化银/醋酸钾(AgI/KOAc)体系,这一体系简单、廉价、稳定、高效,能够在低温常压的条件下将多种类型炔丙醇底物转化为α-亚甲基环碳酸酯。此催化体系的银催化当量可低至0.05 mol%,是目前所报道的最低催化剂量。在催化机理探究中,本文通过核磁共振氢谱(1H NMR)证实了炔丙醇底物中羟基的活化是由碘化银和醋酸根协同完成的。(4)将AgI/KOAc体系中的KOAc置换为对环境友好的醋酸型离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([Emim][OAc]),所得的AgI/[Emim][OAc]催化体系简单、绿色、稳定、高效,对炔丙醇底物与二氧化碳环合生成α-亚甲基环碳酸酯的反应表现出高催化活性和高选择性。此外,该催化体系可至少重复利用20次且无明显的催化活性下降,这是截止至目前已报道的所有催化体系中最多的重复利用次数,且与所有可在常压下重复利用的催化体系相比,该体系的银催化当量也是最低的。
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