張 振，鄧 煜，張琴芳，余達(dá)剛

（1.成都大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,成都 610106；2.四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院,綠色化學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610064）

近幾十年來，溫室氣體二氧化碳（CO2）受到了廣泛關(guān)注. 另一方面，CO2具有無(wú)毒、廉價(jià)易得、儲(chǔ)量豐富且可再生等特點(diǎn)，是合成化學(xué)中的理想C1合成子. 利用CO2參與有機(jī)反應(yīng)，可以合成多種高附加值產(chǎn)品，變廢為寶，具有重要意義［1~13］.

在CO2參與的眾多有機(jī)轉(zhuǎn)化中，CO2參與的羧基化反應(yīng)一直被廣泛研究［14~20］. 羧酸類化合物廣泛存在于天然產(chǎn)物、藥物、日化品及工業(yè)原料中，是人類日常生活中不可或缺的一大類化合物，如食醋中的乙酸、橄欖油中的油酸、奶油中的丁酸、肥皂、化妝品及染料等與羧酸類化合物有千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，此外，解熱鎮(zhèn)痛藥阿司匹林和止痛藥布洛芬等都具有羧酸這一重要的官能團(tuán). 通過合理設(shè)計(jì)，CO2可以與眾多廉價(jià)易得的工業(yè)原料反應(yīng)，通過一步法得到結(jié)構(gòu)多樣的羧酸類化合物. 盡管該領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多進(jìn)展，但依然存在一些問題和挑戰(zhàn)：首先，CO2具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，反應(yīng)活性低，通常需要高溫高壓等苛刻條件；其次，CO2作為氣體，在反應(yīng)體系中的濃度相對(duì)較低，而且是非極性分子，與過渡金屬催化劑作用力較弱，表現(xiàn)為動(dòng)力學(xué)惰性；第三，羧酸化合物容易發(fā)生的脫羧反應(yīng)是羧基化反應(yīng)的逆反應(yīng)，而且是一個(gè)熵增的過程，有可能導(dǎo)致羧基化反應(yīng)效率不高，容易發(fā)生質(zhì)子化等副反應(yīng).

近年來，光化學(xué)快速發(fā)展，為上述問題的解決提供了很好的突破口［21~31］. 光能是一種取之不盡，用之不竭的綠色能源. 在資源、環(huán)境問題日益嚴(yán)重的當(dāng)下，光能的高效利用備受關(guān)注. 光化學(xué)體系通過吸收光子能量，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，能夠在溫和條件下形成高活性中間體，在促進(jìn)惰性鍵和小分子活化領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景. 隨著可見光化學(xué)的發(fā)展，可見光促進(jìn)的CO2轉(zhuǎn)化受到了關(guān)注. 近年來，研究人員在溫和條件下利用可見光實(shí)現(xiàn)了CO2參與的一系列底物［如烯烴（C=C）、炔烴（C≡C）、醛酮（C=O）、亞胺（C=N）、含C—X（X=鹵素、氮、氧）等化合物、烴類］的羧基化反應(yīng)（Scheme 1）［32~39］. 其中，可見光促進(jìn)CO2參與烯烴（C=C）、炔烴（C≡C）、醛酮（C=O）、亞胺（C=N）和含C—X（X=鹵素、氮、氧）等化合物的還原羧基化反應(yīng)被廣泛研究，通常需要使用三級(jí)胺類、甲酸（鹽）和漢斯酯作為電子給體. 此外，研究者也在氧化還原中性條件下實(shí)現(xiàn)了可見光促進(jìn)CO2參與的烯烴、炔烴及C（sp3）—H鍵的羧基化反應(yīng).

Scheme 1 Visible light?driven carboxylation with CO2

從整體上看，為提高反應(yīng)的實(shí)用性，此類反應(yīng)多數(shù)被設(shè)計(jì)在可見光下進(jìn)行（通常采用藍(lán)光，波長(zhǎng)處于400~450 nm），而體系中參與反應(yīng)的大多數(shù)化合物在可見光下無(wú)明顯吸收，通常需要引入在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)有吸收的光催化劑. 在均相體系下，這些光催化劑一般采用小分子有機(jī)物（包括金屬有機(jī)絡(luò)合物和有機(jī)小分子染料）（Scheme 1），光催化劑在吸收可見光后被激發(fā)為激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)光催化劑具有較高的活性，部分可以通過單電子轉(zhuǎn)移與體系中特定的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生活性物種，進(jìn)而推動(dòng)整體反應(yīng)的進(jìn)行. 其中，涉及到還原羧基化反應(yīng)的例子中，反應(yīng)還需要引入還原劑（電子供體）. 還原劑一般為富電子化合物（如胺類化合物），容易還原猝滅激發(fā)態(tài)光催化劑，得到還原態(tài)的光催化劑進(jìn)一步參與反應(yīng). 另外，為使反應(yīng)順利進(jìn)行，反應(yīng)有時(shí)需要引入過渡金屬化合物活化底物（如一些常用的含鎳、鈀、銠的催化劑），通過這些催化劑與光催化劑協(xié)同催化，最終實(shí)現(xiàn)底物的羧基化反應(yīng). 當(dāng)然，個(gè)別情況下，反應(yīng)體系中無(wú)需外加光催化劑，可能是底物（如漢斯酯）本身可以吸光，也可能通過貧電子物種和富電子物種形成可以吸光的復(fù)合物. 值得強(qiáng)調(diào)的是，雖然一些非均相催化劑［如使用較多的CdS光量子點(diǎn)、金屬簇狀化合物、金屬有機(jī)框架材料（MOF）、石墨烯及氮化石墨烯等］在光催化二氧化碳轉(zhuǎn)化中表現(xiàn)優(yōu)異，并且可以被反復(fù)利用且種類豐富，因此用來實(shí)現(xiàn)羧基化反應(yīng)同樣具有非常大的潛力［40~47］，但受篇幅限制，不在本文詳細(xì)闡述.

基于以上內(nèi)容，本文按不同底物類型，分類介紹和總結(jié)近幾年來可見光促進(jìn)CO2參與的羧基化反應(yīng)研究，其中介紹的反應(yīng)主要集中于均相有機(jī)光反應(yīng)體系，并重點(diǎn)介紹反應(yīng)特點(diǎn)和機(jī)理，同時(shí)對(duì)該方向發(fā)展前景進(jìn)行了展望.

1 可見光促進(jìn)二氧化碳參與的C=C烯烴類、C≡C炔烴類化合物羧基化反應(yīng)

在有機(jī)合成中，烯烴是重要的合成前體，通過對(duì)烯烴的官能團(tuán)化可以構(gòu)建多種重要結(jié)構(gòu)［48，49］. 對(duì)于可見光促進(jìn)CO2參與的烯烴羧基化反應(yīng)，通過不同的策略可以實(shí)現(xiàn)氫羧基化反應(yīng)、雙羧基化反應(yīng)及其它雙官能團(tuán)化反應(yīng).

1.1 C=C烯烴類化合物的氫羧基化反應(yīng)

自1978年Lapidus等［50］開始探索銠和鈀催化乙烯與CO2的氫羧基化以來，CO2參與過渡金屬催化的不飽和鍵的氫羧基化反應(yīng)得到了較大的發(fā)展［51~63］. 由于烯烴化合物的氫羧基化反應(yīng)需要用到較多的電子給體，而這些電子給體多為一些金屬單質(zhì)或有機(jī)金屬試劑，由此可能產(chǎn)生一系列的安全和環(huán)境問題. 2017 年，Iwasawa 等［64］首次報(bào)道了可見光/金屬銠協(xié)同催化CO2參與的烯烴氫羧基化反應(yīng). 與單純依靠過渡金屬催化不同，該過程采用安全廉價(jià)的iPr2NEt作為電子最終給體，反應(yīng)需要加入Cs2CO3來抑制質(zhì)子化產(chǎn)物和烯烴聚合產(chǎn)物的生成. 為促進(jìn)還原羧基化的過程，該體系需要加入含缺電子基膦配體絡(luò)合物. 該類反應(yīng)產(chǎn)物具有較好的區(qū)域選擇性，可以得到單一的α-羧基化產(chǎn)物（Scheme 2）.

Scheme 2 Visible light photoredox/Rh dual catalysis for hydrocarboxylation of alkenes with CO2

該反應(yīng)過程可能經(jīng)歷如下步驟：（1）光催化活性中間體RhH物種形成；（2）隨后發(fā)生烯烴遷移插入，生成芐基銠絡(luò)合物；（3）CO2插入該絡(luò)合物的C—Rh鍵之間形成中間體羧基銠物種，此過程伴隨光敏劑Ru絡(luò)合物的能量轉(zhuǎn)移；（4）光催化下發(fā)生質(zhì)子與電子的轉(zhuǎn)移，形成Rh（Ⅲ）絡(luò)合物；（5）還原消除得到目標(biāo)羧酸，同時(shí)釋放Rh（I）的氫化物，參與下一輪催化循環(huán). 整個(gè)過程中，烯烴的電子效應(yīng)及芐基銠絡(luò)合物的相對(duì)穩(wěn)定性使反應(yīng)具有良好的化學(xué)選擇性，可以生成單一的α-羧酸化合物.

為進(jìn)一步縮短反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)收率，Iwasawa等［65］進(jìn)一步對(duì)該反應(yīng)體系進(jìn)行改進(jìn)，用BI（OH）H代替iPr2NEt作為電子最終給體，并取得了不錯(cuò)的效果.

在上述體系開發(fā)不久，K?nig等［66］于2018年開發(fā)了可見光/鎳絡(luò)合物協(xié)同催化CO2參與的烯烴氫羧基化反應(yīng)（Scheme 3）. 與Iwasawa等［64］的工作不同的是，該轉(zhuǎn)化除采用相對(duì)廉價(jià)的鎳絡(luò)合物和有機(jī)光敏劑外，還通過選用不同的金屬配體，實(shí)現(xiàn)了不同區(qū)域選擇性的羧酸的合成，以高的選擇性分別得到α和β位置的兩類羧酸. 從K?nig等［66］給出的機(jī)理和解釋來看，反應(yīng)中還原態(tài)的光敏劑會(huì)通過SET過程將電子給到鎳絡(luò)合物從而促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生，而自身光激發(fā)態(tài)通過還原猝滅過程可回到還原態(tài)以進(jìn)入下輪催化過程. 當(dāng)反應(yīng)選擇neocuproine作為配體時(shí)，反應(yīng)生成的Ni（Ⅱ）金屬氫化物種可以快速地與烯烴發(fā)生遷移插入反應(yīng)，得到α-選擇性的Ni（Ⅱ）金屬絡(luò)合物，進(jìn)而經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)變得到α-羧酸；而選擇1，4-bis（diphenylphosphino）butane（dppb）作為配體時(shí)，鎳（0）絡(luò)合物的電子云密度較高，可以很好地與二氧化碳和烯烴發(fā)生氧化環(huán)金屬化，從而生成環(huán)鎳（Ⅱ）金屬物種，進(jìn)一步被單電子還原和進(jìn)攻CO2，則可以高選擇性地得到β-羧酸.

以上轉(zhuǎn)化均通過光/金屬協(xié)同催化的模式，實(shí)現(xiàn)了CO2參與的烯烴氫羧基化反應(yīng). 2018年，Yu等［67］利用有機(jī)光敏劑4CzIPN與三級(jí)胺還原劑的簡(jiǎn)單體系，實(shí)現(xiàn)了烯酰胺類化合物的氫羧基化反應(yīng)，并高效合成了多種具有挑戰(zhàn)性和重要的非天然的α，α-雙取代氨基酸及相關(guān)衍生物（Scheme 4）. 值得指出的是，如果無(wú)光敏劑或者在黑暗條件下，烯酰胺類化合物則會(huì)在堿的促進(jìn)下發(fā)生β-碳?xì)滏I羧基化反應(yīng)［68］. 除烯酰胺外，該體系同樣適用于亞胺類底物的氫羧基化反應(yīng). 該反應(yīng)同樣具有較好的區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性. 機(jī)理研究結(jié)果表明，可見光、光敏劑、堿和還原劑在反應(yīng)中均起到了非常重要的作用. 結(jié)合其它親電試劑參與反應(yīng)的情況及氘代實(shí)驗(yàn)，作者認(rèn)為通過可見光催化連續(xù)單電子轉(zhuǎn)化（SSET）還原生成的α-季碳陰離子是重要的反應(yīng)中間體，可以進(jìn)攻二氧化碳或其它親電試劑得到目標(biāo)化合物.

Scheme 4 Visible light photoredox catalysis for hydrocarboxylation of enamides and imines with CO2

與以上CO2雙電子活化過程不同，CO2單電子活化過程通過將CO2單電子還原得CO2自由基陰離子（CO·2?），可以進(jìn)攻烯烴得到烯烴氫羧基化產(chǎn)物. 然而，由于CO2具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，反應(yīng)需要較高的能量，而且生成的CO2自由基陰離子活性較高，不容易控制其反應(yīng)的選擇性，因此該類轉(zhuǎn)化在有機(jī)合物中較為少見，且更具有挑戰(zhàn)性. 2017年，Jamison等［69］首次采用連續(xù)流動(dòng)裝置，在紫外光照射和光催化劑對(duì)三聯(lián)苯催化下，得到二氧化碳自由基陰離子活性中間體，并實(shí)現(xiàn)了雙鍵的β選擇性加氫羧化反應(yīng). 直到2020年，Yu等［70］在其開發(fā)的硫羧基化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，報(bào)道了第一例可見光驅(qū)動(dòng)、無(wú)外光催化劑加入的丙烯酸酯、苯乙烯與CO2的氫羧化反應(yīng)（Scheme 5）［71］，從而實(shí)現(xiàn)了不尋常的選擇性（得到β-羧酸化合物）. 值得指出的是，這種方法還適用于具有挑戰(zhàn)性的三取代和四取代丙烯酸酯以及三取代苯乙烯. 此外，作者通過使用4-苯乙基取代的Hantzsch酯（4-PE-HE）作為有效還原劑，首次實(shí)現(xiàn)了可見光驅(qū)動(dòng)硫醇催化的丙烯酸酯和苯乙烯的氫羧基化反應(yīng). 通過機(jī)理實(shí)驗(yàn)推測(cè)，硫醇鹽和丙烯酸酯/苯乙烯之間可以形成電子轉(zhuǎn)移復(fù)合物（CTC），該絡(luò)合物在可見光激發(fā)下還原CO2得到CO2自由基負(fù)離子，CO2自由基負(fù)離子與烯烴反應(yīng)得到目標(biāo)羧酸，而硫自由基被還原劑還原進(jìn)入催化循環(huán). 相關(guān)實(shí)驗(yàn)顯示，這種還原反應(yīng)條件下也可能會(huì)產(chǎn)生烯烴和CO2自由基陰離子. 該體系局限于活化烯烴，不能實(shí)現(xiàn)非活化烯烴的選擇性加氫羧化. 進(jìn)一步的密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，硫醇鹽與脂肪族烯烴之間形成相應(yīng)的CTC的可能性較低.

Scheme 5 Visible light?driven photocatalyst?free hydrocarboxylation of acrylates and styrenes with CO2

以上是目前主要報(bào)道的可見光促進(jìn)二氧化碳參與的烯烴類化合物氫羧基化反應(yīng)研究. 雖然研究人員通過不同的策略實(shí)現(xiàn)了該類轉(zhuǎn)化反應(yīng)，且收率和選擇性都取得了較好的結(jié)果，但目前此類轉(zhuǎn)化主要集中于活化烯烴，需要進(jìn)一步研究非活化烯烴的相應(yīng)轉(zhuǎn)化.

1.2 C=C烯烴類化合物的雙羧基化反應(yīng)

二酸化合物是一類重要的羧酸化合物，其結(jié)構(gòu)的特殊性使其在高分子材料的合成與開發(fā)中有著重要的應(yīng)用. 近年來，科研人員圍繞二酸的合成開發(fā)了很多有價(jià)值的反應(yīng)體系［72~74］. 其中，以CO2為羧基源合成二酸類化合物主要集中在電化學(xué)領(lǐng)域［75~77］，光催化下制備二酸化合物的報(bào)道較少且有一定的挑戰(zhàn)性. 2021年，Yu等［78］首次報(bào)道了光催化下，二氧化碳參與烯烴的雙羧基化反應(yīng)（Scheme 6）. 機(jī)理研究表明，烯基自由基負(fù)離子是反應(yīng)的關(guān)鍵中間體，反應(yīng)經(jīng)由烯烴的兩次單電子還原（SSET），兩次進(jìn)攻CO2來生成丁二酸類化合物. 該反應(yīng)的底物適用性廣，烯烴、二烯、聯(lián)烯、稠環(huán)芳烴和雜芳烴均可以通過此方法得到相應(yīng)的二烯化合物. 此外，官能團(tuán)兼容性高、能放大至克級(jí)規(guī)模和產(chǎn)物易于衍生化等也是該反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn).

Scheme 6 Visible light?driven dicarboxylation of alkenes,allenes,and(hetero)arenes with CO2

1.3 C≡C炔烴類化合物的氫羧基化反應(yīng)

炔烴也是重要的工業(yè)原料之一. 通過炔烴的氫羧基化反應(yīng)，可以得到重要的α，β-不飽和羧酸.1982年，Hoberg等［79］首次實(shí)現(xiàn)了炔烴和CO2在Ni（0）和還原劑存在下反應(yīng)生成五元金屬環(huán)，進(jìn)一步經(jīng)酸處理后制備了丙烯酸混合物. 隨后，科學(xué)家們開發(fā)了多種金屬催化/介導(dǎo)的利用CO2作為C1源的炔烴加氫羧化反應(yīng)［80~82］. 然而，通過可見光促進(jìn)的炔烴氫羧基化反應(yīng)具有一定的挑戰(zhàn)性，其原因在于光催化下多為自由基反應(yīng)，由此帶來了較難的化學(xué)、區(qū)域、Z/E選擇性控制. 2018年，Wu等［83］采用光/鈷協(xié)同催化的策略，實(shí)現(xiàn)了多種非端炔的氫羧基化反應(yīng)，并以較好的選擇性和收率得到一系列α，β-不飽和羧酸，而對(duì)于脂肪端炔，則可以發(fā)生關(guān)環(huán)反應(yīng)生成多種雜環(huán)化合物（Scheme 7）. 機(jī)理研究表明，光催化劑可以促進(jìn)單電子過程和烯炔異構(gòu)化過程. 作者認(rèn)為該反應(yīng)是由炔烴、CO2和Co（Ⅰ）物種的氧化環(huán)金屬化形成鈷雜五環(huán)內(nèi)酯的關(guān)鍵中間體引發(fā)的. 當(dāng)使用末端炔烴時(shí)，另一個(gè)炔烴遷移插入到鈷雜五環(huán)內(nèi)酯中，得到2-吡喃酮. 非端炔烴則進(jìn)行質(zhì)子化得到氫羧化產(chǎn)物. 有趣的是，芳環(huán)上的輔助取代基經(jīng)過一鍋炔烴加氫羧化、烯烴異構(gòu)化和環(huán)化形成有價(jià)值的雜環(huán)，包括2-吡喃酮、香豆素、2-喹諾酮、2-苯并氧雜環(huán)庚酮和γ-羥基丁烯內(nèi)酯.

Scheme 7 Visible light photoredox/Co dual catalysis for hydro?/carbocarboxylation of alkyne with CO2

2021年，F(xiàn)u等［84］通過密度泛函理論計(jì)算進(jìn)一步完善了Wu等［83］推測(cè)的機(jī)理（Scheme 8）：發(fā)現(xiàn)最可行的催化循環(huán)步驟為催化劑Ir的光激發(fā)和還原淬滅、H轉(zhuǎn)移、羧化及催化劑再生；H轉(zhuǎn)移是決定速率和區(qū)域選擇性的步驟；非金屬還原劑iPr2NEt在反應(yīng)中的作用包括還原猝滅過程中的電子供體、電子受體和氫化物耦合電子轉(zhuǎn)移（HCET）步驟中的氫化物供體；同時(shí)該工作也對(duì)反應(yīng)的選擇性作了解釋.

Scheme 8 Mechanistic study on visible light photoredox/Co dual catalysis for hydro?/carbocarboxylation of alkyne with CO2

2 可見光促進(jìn)二氧化碳參與的含C—X(X為鹵素,氧,氮等)化合物羧基化反應(yīng)

2.1 可見光促進(jìn)二氧化碳參與的含C—X(X為鹵素)化合物的羧基化反應(yīng)

有機(jī)（類）鹵代烴類化合物的合成方法繁多，來源廣泛，是一大類重要的化工原料和有機(jī)中間體.通過（類）鹵代烴與CO2反應(yīng)合成羧酸，無(wú)論從原料的易得性角度上講，還是從產(chǎn)物的重要性角度上講，都非常重要. 人們先后通過將（類）鹵代烴制備成格氏試劑或是采用高活性高敏感的金屬有機(jī)試劑與（類）鹵代烴反應(yīng)，得到可以與二氧化碳反應(yīng)的有機(jī)活性中間體制備羧酸. 但受限于官能團(tuán)兼容性差、實(shí)驗(yàn)操作不便等問題，科學(xué)家又陸續(xù)將目光轉(zhuǎn)向過渡金屬催化的方式，并取得了令人矚目的成就［17~20］. 然而，由于這類反應(yīng)往往需要加入金屬單質(zhì)或有機(jī)金屬試劑，給反應(yīng)的操作和后處理帶來了不便，從而限制了此類反應(yīng)的應(yīng)用. 考慮到光催化還原過程，不僅可以利用更為綠色的有機(jī)電子給體作為還原劑，并且反應(yīng)活性更高、條件更為溫和，所以近年來研究人員逐步將（類）鹵代烴類化合物的羧基化反應(yīng)的探索重點(diǎn)由過渡金屬催化轉(zhuǎn)向光催化.

2017 年，Iwasawa 和Martin 等［85］首先在這方面取得了突破. 通過光/鈀協(xié)同催化的策略，以三級(jí)胺作為最終電子給體，金屬銥絡(luò)合物為光催化劑，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳參與的芳基鹵代物的還原羧基化反應(yīng)，并得到了一系列芳基羧酸（Scheme 9）. 芳基溴代物和芳基氯代物均可以很好地參與反應(yīng)，但需要不同的金屬配體. 機(jī)理研究表明，碳鹵鍵對(duì)Pd（0）L氧化加成形成關(guān)鍵中間體ArPd（Ⅱ）XL，進(jìn)而與CO2反應(yīng)形成絡(luò)合物ArCOOPd（Ⅱ）XL，隨后被還原態(tài)光敏劑單電子還原生成ArCOOPd（Ⅰ）XL，并進(jìn)一步被單電子還原得到目標(biāo)羧酸，同時(shí)釋放LPd（0）進(jìn)入下一輪循環(huán). 另外，ArPd（Ⅱ）XL也可能首先與CO2絡(luò)合形成ArPd（Ⅱ）XL（CO2），進(jìn)而再通過單電子還原得到ArPd（Ⅰ）XL（CO2），此時(shí)CO2插入C—Pd 形成ArCOOPd（Ⅰ）XL并進(jìn)一步被還原得到最終產(chǎn)物.

Scheme 9 Visible light photoredox/Pd dual catalysis for carboxylation of aryl halides with CO2

幾乎同時(shí)，K?nig［86］也實(shí)現(xiàn)了光/鎳絡(luò)合物協(xié)同催化鹵代烴化合物的還原羧基化反應(yīng)（Scheme 10）.該反應(yīng)中以4CzIPN 為光敏劑，HE 為最終電子給體，同時(shí)加入neocuproine 作為金屬配體，類似該小組之前報(bào)道的氫羧基化反應(yīng)體系［66］. 反應(yīng)中加入的碳酸鉀不僅起到堿的作用，也是羧基來源之一，CO2氛圍則能夠提升反應(yīng)效率. 從作者給出的機(jī)理循環(huán)來看，整個(gè)過程先發(fā)生氧化加成過程形成中間體Ni（Ⅱ）絡(luò)合物，然后被單還原為Ni（Ⅰ）絡(luò)合物，進(jìn)而與CO2反應(yīng)得到羧酸鎳（Ⅰ）中間體，進(jìn)一步發(fā)生單電子還原，得到目標(biāo)羧酸的同時(shí)釋放Ni（0）物種，參與下一輪催化循環(huán). 光催化過程則通過單電子轉(zhuǎn)移方式促進(jìn)該還原羧基化反應(yīng)進(jìn)行. 在開發(fā)方法學(xué)的同時(shí)，作者也采用該方法合成了具有生物活性的MCPB，證明了其實(shí)用性. 值的一提的是，該體系不僅適用于芳基溴代物，對(duì)于烷基溴代物和三氟甲磺酸酯同樣可以實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化，從而極大地拓展了該方法的適用范圍.

Scheme 10 Visible light photoredox/Ni dual catalysis for carboxylation of aryl bromides/triflates and alkyl bromides with CO2

同樣是采用光/鎳絡(luò)合物協(xié)同催化反應(yīng)，2019 年，Crespi，K?nig 和Martin 等［87］則通過調(diào)控配體和堿，實(shí)現(xiàn)了一類獨(dú)特的通過C（sp3）—X鍵遠(yuǎn)程活化C（sp3）—H鍵并實(shí)現(xiàn)CO2參與的羧基化反應(yīng)（Scheme 11）. 機(jī)理研究表明，C—X 鍵與金屬氧化加成反應(yīng)生成Ni（Ⅰ）絡(luò)合物后，進(jìn)一步發(fā)生β-H 消除生成烯烴，再次發(fā)生氫金屬化反應(yīng)，最終生成較為穩(wěn)定的C—Ni鍵，進(jìn)而與CO2反應(yīng)實(shí)現(xiàn)羧基化反應(yīng).

Scheme 11 Visible light photoredox/Ni dual catalysis for remote carboxylation of sp3 C—H bonds with CO2

芐基鹵代物是一類非常重要的化學(xué)中間體和化工原料，來源廣泛且制備方法較多. 通過還原羧基化反應(yīng)，芐基鹵代物可以生成布洛芬等重要的羧酸類化合物——芳基乙酸及其相關(guān)衍生物. 之前科研人員已通過電催化、過渡金屬催化或是制備格氏試劑的方式，實(shí)現(xiàn)了芐基鹵代物的還原羧基化反應(yīng)［88，89］. 2021年，Yu等［90］在無(wú)過渡金屬的條件下，利用相對(duì)廉價(jià)易得的有機(jī)染料為光敏劑，有機(jī)胺為電子給體，實(shí)現(xiàn)了CO2參與的一系列芐位氯代物和溴代物還原羧基化反應(yīng)（Scheme 12）. 在該反應(yīng)體系下，一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)的芐位鹵代物均可以較好地發(fā)生轉(zhuǎn)化. 機(jī)理研究表明，底物經(jīng)歷了2次單電子還原（SSET）得到碳負(fù)中間體，進(jìn)而親核進(jìn)攻CO2得到目標(biāo)芳基乙酸化合物.

Scheme 12 Visible light photoredox?catalyzed reductive carboxylation of benzylic C—X(X=Cl,Br)bondswith CO2

Scheme 13 Visible light catalysis for carboxylation of C(sp2)—F bonds with CO2

與C—Cl和C—Br鍵相比，C—F鍵具有更高的能量而更難被活化，所以針對(duì)含C—F鍵化合物的羧基化反應(yīng)更具有挑戰(zhàn)性［91］. 2019年，F(xiàn)eng等［92］利用光/鈀協(xié)同催化體系，首次實(shí)現(xiàn)了二氟烯烴C（sp2）—F鍵的還原羧基化反應(yīng)，得到一系列的α-氟代羧酸［Scheme 13（A）］. 機(jī)理研究表明，C（sp2）—F鍵活化是通過還原態(tài)光敏劑的SET還原實(shí)現(xiàn)的. C（sp2）—F鍵斷裂后，形成氟代烯基自由基并被Pd（0）物種捕獲后形成Pd（Ⅰ）絡(luò)合物中間體，進(jìn)而與CO2反應(yīng)形成羧酸Pd（Ⅰ）絡(luò)合物，隨后被還原態(tài)光敏劑單電子還原，得到目標(biāo)氟代羧酸化合物的同時(shí)重生Pd（0）進(jìn)入下一輪催化循環(huán)中. 雖然反應(yīng)產(chǎn)物為Z/E的混合物，但選擇性較好，作者推測(cè)其原因可能與Pd（Ⅰ）—烯基氟絡(luò)合物存在一定程度的Z/E互變有關(guān). 值的關(guān)注的是，同時(shí)期，過渡金屬銅催化的C—F 鍵的羧基化反應(yīng)得到了較好的發(fā)展，與光催化轉(zhuǎn)化形成互補(bǔ)［93，94］.

最近，Yu等［95］實(shí)現(xiàn)了更具挑戰(zhàn)性的芳香C（sp2）—F的羧基化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了一系列多氟芳烴的選擇性羧基化反應(yīng)并得到相應(yīng)的含氟羧酸類化合物. 該反應(yīng)中，采用甲酸鹽作為最終電子給體，甲酸鹽通過HAT過程被氧化為二氧化碳自由基陰離子，該物種是還原多氟代芳烴的關(guān)鍵物種，可以將多氟代芳烴還原為氟代芳烴自由基，并進(jìn)一步被還原態(tài)光敏劑還原，得到相應(yīng)陰離子捕獲二氧化碳，最終得到目標(biāo)的含氟芳香羧酸類化合物. 而光敏劑被氧化后可進(jìn)一步被可見光激發(fā)，氧化HAT試劑DABCO，再次攫取甲酸鹽氫，推動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行［Scheme 13（B）］.

除C（sp2）—F鍵的還原羧基化反應(yīng)外，2021年，Yu等［96］實(shí)現(xiàn)了可見光催化多種C（sp3）—F鍵的還原羧基化反應(yīng)（Scheme 14）. 反應(yīng)不僅實(shí)現(xiàn)了含單氟的C（sp3）—F的羧基化反應(yīng)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了選擇性的二氟、三氟化合物的單羧基化反應(yīng)，各種單、二和三氟烷基芳烴（包括未活化的芳烴）在溫和且不含過渡金屬的條件下順利進(jìn)行選擇性羧化轉(zhuǎn)化. 此外，α，α-二氟羰基化合物也能進(jìn)行選擇性C—F鍵官能化. 基于機(jī)理研究，作者認(rèn)為CO2在該反應(yīng)中起到了電子轉(zhuǎn)移和電子受體的雙重作用：CO2在該體系中先后經(jīng)歷氫負(fù)離子還原和HAT過程形成富電子的CO2自由基陰離子，由于該陰離子較強(qiáng)還原性，可對(duì)含氟底物單電子還原，最終完成C—F 鍵的斷裂形成碳自由基，進(jìn)而在光催化下形成碳負(fù)離子，進(jìn)攻CO2得到選擇性羧基化產(chǎn)物. 作者通過DFT計(jì)算驗(yàn)證了所提出的催化循環(huán). CO2雙功能性概念的提出也為后續(xù)相關(guān)的研究提供了參考.

Scheme 14 Visible light photoredox?catalyzed selective carboxylation of C(sp3)—F bonds with CO2

2.2 可見光促進(jìn)二氧化碳參與的含C—O鍵化合物的羧基化反應(yīng)

含C—O 鍵的化合物可以由醇類、酚類直接或間接衍生得到，原料可直接從天然產(chǎn)物或工業(yè)原料簡(jiǎn)單加工后得到，種類多樣，廉價(jià)易得，因此含氧化合物通過還原羧基化反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為羧酸具有重要研究?jī)r(jià)值. 2019 年，Iwasawa［97］和Jana 等［98］幾乎同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三氟甲磺酸芳基酯的還原羧基化反應(yīng)（Scheme 15）. 反應(yīng)機(jī)理類似于之前Iwasawa 小組［85］開發(fā)的芳基C—X 鍵的還原羧基化反應(yīng). 值得一提的是，Iwasawa等［85］主要通過改變配體的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了三氟甲磺酸烯基酯的還原羧基化反應(yīng)，并得到了一系列的α，β?不飽和羧酸類化合物，極大地拓展了反應(yīng)的適用性.

Scheme 15 Visible light photoredox/Pd dual catalysis for carboxylation of aryl and alkenyl triflates with CO2

在實(shí)現(xiàn)光催化C（sp2）—O還原羧基化的同時(shí)，研究人員也對(duì)同樣重要且更具有挑戰(zhàn)性的C（sp3）—O鍵的還原羧基化反應(yīng)展開探索. Iwasawa等［99］在實(shí)現(xiàn)C（sp2）—O還原羧基化反應(yīng)之后，進(jìn)一步通過提升反應(yīng)溫度和改變過渡金屬配體，實(shí)現(xiàn)了光/鈀協(xié)同催化的各類芐醇酯（包括碳酸酯、羧酸酯、酰胺酯及膦酸酯等）的還原羧基化反應(yīng)（Scheme 16）. 控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，底物對(duì)金屬鈀的氧化加成為反應(yīng)的決速步驟，而溫度的提升則有利于這個(gè)過程. 光催化還原體系則與之前作用類似，用于反應(yīng)中金屬中心的還原. 反應(yīng)可以通過配體和溫度的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)芳基鹵代物和芐基酯的選擇性羧基化. 該反應(yīng)機(jī)理類似于此前開發(fā)的C（sp2）—O鍵羧基化機(jī)理，此處不再贅述.

Scheme 16 Visible light?driven Pd?catalyzed carboxylation of activated C(sp3)—O bonds with CO2

幾乎同時(shí)，Yu等［100］利用相對(duì)廉價(jià)易得的有機(jī)染料為光敏劑和有機(jī)胺為電子給體，實(shí)現(xiàn)了可見光催化一系列一級(jí)、二級(jí)及三級(jí)芐基醇（酯）的高效還原羧基化（Scheme 17）. 其中，對(duì)于一級(jí)和二級(jí)芐基醇，可以通過一鍋法形成酯中間體，一步將芐醇轉(zhuǎn)化為羧酸，操作簡(jiǎn)單；而對(duì)于三級(jí)芐醇，一鍋兩步的方法可以有效提高反應(yīng)效率. 此外，該方法也同樣適用于各類α-羥基羧酸衍生物. 對(duì)比Iwasawa 課題組［99］采用的體系，該反應(yīng)條件更加溫合，且無(wú)需過渡金屬參與，其原因在于反應(yīng)中直接利用還原性較強(qiáng)的還原態(tài)光敏劑對(duì)芐位C—O鍵進(jìn)行單電子還原，在室溫下即可完成.

Scheme 17 Visible light photoredox?catalyzed transition metal?freecarboxylation of activated C(sp3)—O bonds with CO2

以上反應(yīng)通常需要形成酯類化合物以提高底物中C—O 鍵的活性，從而實(shí)現(xiàn)羧基化反應(yīng). 最近，Xia等［101］采用可見光光氧化還原四苯基硼酸鈉產(chǎn)生中性二苯基硼自由基活化游離醇的新策略，直接裂解游離醇的C（sp3）—OH鍵并與CO2發(fā)生交叉親電偶聯(lián)反應(yīng)（Scheme 18）. 該策略可以實(shí)現(xiàn)一系列伯、仲和叔苯甲醇的直接羧基化，為C—O鍵羧基化反應(yīng)提供了更為高效綠色的思路.

Scheme 18 Visible light photoredox?catalyzed carboxylation of free benzylic alcohols and CO2

2.3 可見光促進(jìn)二氧化碳參與的含C—N鍵化合物的羧基化反應(yīng)

除C—O鍵外，有機(jī)季銨鹽中的C—N鍵還原羧基化反應(yīng)同樣是此領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一. 季銨鹽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易于得到和保存. 此前，通過過渡金屬對(duì)C—N 進(jìn)行活化，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)偶聯(lián)反應(yīng)和羧基化反應(yīng)［102~105］. 但值得注意的是，此類反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物胺類化合物，但一般都被廢棄，沒有很好的利用.眾所周知，有機(jī)胺是可見光催化中的一類重要電子給體. 基于此，2018年Yu等［106］結(jié)合光催化還原羧基化的特點(diǎn)，首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)外加還原劑的芐基季銨鹽的還原羧基化反應(yīng)，一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)芐基碳的季銨鹽均可以很好地反應(yīng)（Scheme 19）. 機(jī)理研究表明，C—N鍵斷裂后原位產(chǎn)生的胺作為電子給體參與催化循環(huán)反應(yīng). 之后，該類策略被成功應(yīng)用于醛、酮及芳基腈的還原偶聯(lián)中［107］.

Scheme 19 Visible light photoredox?catalyzed carboxylation of tetraalkyl ammonium salts with CO2

3 可見光促進(jìn)二氧化碳參與的C=O(醛酮)、C=N(亞胺)的還原羧基化反應(yīng)

亞胺、醛和酮是合成復(fù)雜分子的重要中間體. 傳統(tǒng)的合成方案通常利用羰基（C=O）和亞胺基（C=N）的碳-雜原子雙鍵的強(qiáng)靜電極化作用，使得碳原子帶部分正電荷并以親核加成反應(yīng)為主導(dǎo)［108］.極性反轉(zhuǎn)反應(yīng)可以改變這種天然極性，并在有機(jī)合成中開發(fā)非常規(guī)的成鍵策略，實(shí)現(xiàn)與非親核試劑的反應(yīng)［109，110］. 另一方面，氨基酸是一類重要且廣泛存在的羧酸. 其中，α，α二取代-α-氨基酸在調(diào)節(jié)肽和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和功能方面發(fā)揮著重要作用. 2018年，Yu等［67］首次報(bào)道了可見光催化芳香亞胺經(jīng)歷偶極反轉(zhuǎn)并與CO2的選擇性加氫羧化，制備有價(jià)值的α，α二取代-α-氨基酸的反應(yīng)（Scheme 4）. 此反應(yīng)在上文部分有所介紹，在此不在贅述.

隨后，Walsh 等［111］報(bào)道了一例可見光或陽(yáng)光介導(dǎo)的二芳基酮亞胺光氧化還原加氫羧基化反應(yīng).Cy2NMe一方面作為犧牲電子供體對(duì)亞胺光化學(xué)還原，偶極反轉(zhuǎn)生成碳負(fù)離子，另一方面與產(chǎn)物作用生成羧酸鹽沉淀，既能保護(hù)產(chǎn)物免于發(fā)生脫羧基化副反應(yīng)，又能通過過濾提純產(chǎn)物. 與余達(dá)剛課題組［67］采用有機(jī)催化劑及N-羰基亞胺底物不同，作者使用金屬催化劑及N-烷基或N-芳基亞胺底物，2種方法在其它機(jī)制相同的情況下制備了具有不同N-保護(hù)基的α，α-二取代-α-氨基酸. 結(jié)合實(shí)驗(yàn)和自由基負(fù)離子中間體計(jì)算研究，作者推測(cè)的反應(yīng)機(jī)理途徑如Scheme 20所示. Cy2NMe還原猝滅被光激發(fā)的Ir（Ⅲ）生成胺自由基陽(yáng)離子和還原性的Ir（Ⅱ），隨后底物亞胺與Ir（Ⅱ）之間發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移生成胺自由基負(fù)離子并再生Ir（Ⅲ），α-胺基碳自由基負(fù)離子與胺自由基陽(yáng)離子發(fā)生氫原子轉(zhuǎn)移（HAT），生成親核碳負(fù)離子中間體，然后與CO2反應(yīng)生成最終產(chǎn)物.

值的一提的是，在光催化領(lǐng)域的反應(yīng)中，與亞胺結(jié)構(gòu)相近的酮（醛）肟酯類化合物也一直頗受關(guān)注，一些研究團(tuán)隊(duì)對(duì)環(huán)酮肟酯的自由基型開環(huán)反應(yīng)展開了研究. 該類化合物通過單電子還原實(shí)現(xiàn)N—O鍵斷裂形成亞胺自由基，進(jìn)一步發(fā)生開環(huán)反應(yīng)后可以得到一系列含氰基的自由基前體［112］. 利用這一特性，2020年，Yu等［113］首先實(shí)現(xiàn)了可見光促進(jìn)的環(huán)酮肟酯的開環(huán)羧基化反應(yīng)，并以中等到較好的收率得到一系列含氰基的羧酸類化合物. 由于氰基容易進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，所以該反應(yīng)可能在后續(xù)合成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的羧酸類化合物中得到應(yīng)用. 機(jī)理研究表明，環(huán)酮肟酯自由基開環(huán)形成含氰基的自由基前體后，再一次經(jīng)過單電子還原得到含氰基的碳負(fù)離子，并親核進(jìn)攻CO2，得到氰基取代的羧酸類化合物（Scheme 21）.

Scheme 20 Visible light photoredox?catalyzed hydrocarboxylation of imines with CO2

Scheme 21 Visible light photoredox?catalyzed ring?opening carboxylation of cyclic oxime esters with CO2

α-羥基羧酸是制藥和聚合物工業(yè)中非常重要的結(jié)構(gòu). 然而，通過氰化和水解的傳統(tǒng)合成方法需要使用有毒氰化物且條件惡劣. 近幾十年來，以CO2為原料制備α-羥基羧酸的研究取得了重大進(jìn)展［114，115］，但大多數(shù)反應(yīng)都存在使用化學(xué)計(jì)量的金屬還原劑、官能團(tuán)耐受性差、底物范圍有限或發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性副反應(yīng)，尤其是頻哪醇偶聯(lián)和還原等缺點(diǎn)，從而阻礙了工業(yè)應(yīng)用. Yu等［116］于2021年報(bào)道了一種使用路易斯酸性氯硅烷（TMSCl）作為活化和保護(hù)基團(tuán)，利用可見光催化實(shí)現(xiàn)了不同羰基化合物偶極反轉(zhuǎn)并與CO2發(fā)生羧基化反應(yīng)（Scheme 22）. TMSCl一方面作為路易斯酸活化羰基，促進(jìn)可見光驅(qū)動(dòng)的羰基的單電子還原，將羰基碳轉(zhuǎn)化成易于與CO2反應(yīng)的碳負(fù)離子；另一方面活化的氯硅烷可能充當(dāng)臨時(shí)保護(hù)基團(tuán)以產(chǎn)生α-甲硅烷氧基碳自由基，增加自由基中間體的空間位阻，從而阻止頻哪醇偶聯(lián)副反應(yīng). 該策略對(duì)于各種羰基化合物（包括烷基芳基酮、二芳基酮、α-酮酰胺、α-酮酯和芳基醛）的羧化反應(yīng)具有通用性和實(shí)用性，易于制備多種藥物和天然產(chǎn)物的關(guān)鍵中間體. 該轉(zhuǎn)化具有催化劑負(fù)載量低、選擇性高、底物范圍廣、官能團(tuán)耐受性好、反應(yīng)條件溫和（室溫，1個(gè)大氣壓）以及易于克級(jí)反應(yīng)等特點(diǎn)，為α-羥基羧酸的制備提供了很好的策略. 通過一系列的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，作者推測(cè)了反應(yīng)機(jī)理：被TMSCl活化的酮經(jīng)歷單電子還原產(chǎn)生相應(yīng)的α-甲硅烷氧基芐基自由基，該自由基再經(jīng)歷一次單電子還原產(chǎn)生碳負(fù)離子，然后親核進(jìn)攻CO2生成相應(yīng)的產(chǎn)物.

Scheme 22 Visible light photoredox?catalyzed umpolung carboxylation of carbonyl compounds with CO2

隨后，Uozumi等［117］通過緩慢滴加反應(yīng)物的方式，實(shí)現(xiàn)了羰基偶極反轉(zhuǎn)羧化反應(yīng). 在光催化劑和還原劑DMBI存在下，不需要任何其它添加劑，芳香醛或酮與CO2反應(yīng)形成α-羥基羧酸. DMBI作為雙電子單質(zhì)子供體，使得經(jīng)歷第一次單電子還原生成的酮基自由基氧負(fù)離子能夠快速經(jīng)歷第二次單電子還原形成碳負(fù)離子，從而有效抑制自由基-自由基偶聯(lián)副反應(yīng). 作者推測(cè)的反應(yīng)機(jī)理如下：DMBI被可見光激發(fā)的Ir（Ⅲ）還原得到Ir（Ⅱ）和DMBI自由基陽(yáng)離子，去質(zhì)子化生成DMBI自由基. Ir（Ⅱ）還原芳族羰基化合物再生Ir（Ⅲ）光催化劑的同時(shí)產(chǎn)生酮基自由基氧負(fù)離子，進(jìn)而在CO2促進(jìn)作用下被DMBI自由基單電子還原生成芐基負(fù)離子，避免了自由基-自由基偶聯(lián)副反應(yīng)，并進(jìn)而對(duì)CO2親核進(jìn)攻，然后進(jìn)行質(zhì)子化和脫羧，得到最終產(chǎn)物α-羥基羧酸（Scheme 23）.

Scheme 23 Visible light photoredox?catalyzed carboxylation of aromatic aldehydes and ketones with CO2

4 可見光促進(jìn)二氧化碳參與的去芳構(gòu)化羧基化反應(yīng)

芳香族分子屬于最基本和最豐富的有機(jī)化合物類別之一，廣泛應(yīng)用于分子科學(xué)的所有領(lǐng)域. 去芳構(gòu)化策略打亂了芳香族π系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)，可快速獲得不飽和的且通常是官能化的三維環(huán)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，這種直接的、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的合成邏輯在天然產(chǎn)物合成和小分子藥物化學(xué)領(lǐng)域具有重要研究意義. 由光化學(xué)條件驅(qū)動(dòng)的脫芳構(gòu)化反應(yīng)，尤其是利用豐富的可見光，被認(rèn)為是一種以可持續(xù)和綠色的方式實(shí)現(xiàn)以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變的互補(bǔ)方式［118］. 1975年，Tazuke等［119］首次報(bào)道了光驅(qū)動(dòng)菲去芳構(gòu)化并以CO2作為羰基化試劑的羧基化反應(yīng)，隨后芳香族化合物與CO2的脫芳構(gòu)化羧化反應(yīng)取得了一定的研究進(jìn)展［78，120，121］.

在持續(xù)對(duì)二氧化碳參與的去芳構(gòu)化領(lǐng)域關(guān)注的同時(shí)［122，123］，2020年，Yu等［120］報(bào)道了一種可見光催化串聯(lián)還原環(huán)化/交叉偶聯(lián)方法，高選擇性實(shí)現(xiàn)了吲哚與芳基鹵化物和CO2兩種親電試劑的去芳基羧基化反應(yīng)，有效避免了同位偶聯(lián)、質(zhì)子化、β-氫化物消除或異構(gòu)化等副反應(yīng)（Scheme 24）. 該策略為合成難以獲得的高價(jià)值的二氫吲哚-3-羧酸提供了一種有價(jià)值的參考. 機(jī)理實(shí)驗(yàn)推測(cè)，可見光激發(fā)的光催化劑被還原淬滅生成自由基陰離子，經(jīng)歷芳基溴的單電子轉(zhuǎn)移回到基態(tài)，同時(shí)生成芳基溴自由基陰離子，斷裂碳溴鍵生成的芳基自由基，并快速在吲哚的C2=C3雙鍵上進(jìn)行分子內(nèi)自由基加成得到芐基自由基，實(shí)現(xiàn)吲哚雜環(huán)去芳構(gòu)化，再經(jīng)歷一次光催化單電子還原生成的碳負(fù)離子，然后親核進(jìn)攻CO2實(shí)現(xiàn)羧基化反應(yīng).

Scheme 24 Visible light photoredox?catalyzed dearomative arylcarboxylation of indoles with CO2

Scheme 25 Visible light photoredox?catalyzedreductive dearomative and spirocyclizative arylcarboxylation of nonactivated arenes with CO2

2021年，Li等［121］在溫和的反應(yīng)條件下通過自由基-極性交叉串聯(lián)（RPCC）策略，對(duì)帶有萘基、苯基和喹啉基的非活化芳烴進(jìn)行可見光誘導(dǎo)的還原去芳構(gòu)化，從而實(shí)現(xiàn)了芳烴與CO2的螺環(huán)化遠(yuǎn)程芳基羧化反應(yīng)（Scheme 25）. 這種還原去芳構(gòu)化/芳基羧化方案可有效地從易得的芳香族前體制備有價(jià)值的三維羧酸衍生物，為構(gòu)建復(fù)雜分子提供了一種獨(dú)特的方法. 以2-苯基吲哚為底物，去芳構(gòu)化主要通過6-exo-trig環(huán)化發(fā)生在未活化的苯環(huán)上，區(qū)別于Yu等［120］報(bào)道的通過5-exo-trig環(huán)化發(fā)生在活化的吲哚環(huán)的C2-C3雙鍵上. 實(shí)驗(yàn)推測(cè)這種化學(xué)選擇性去芳構(gòu)化的機(jī)理途徑如Scheme 25所示：可見光激發(fā)的光催化劑被4-CO2K-HE 猝滅得到自由基負(fù)離子和相應(yīng)的二氫吡啶自由基，同時(shí)釋放CO2，自由基負(fù)離子還原芳基溴化物產(chǎn)生芳基自由基并釋放溴負(fù)離子，前者通過6-exo-trig 環(huán)化進(jìn)行脫芳構(gòu)化得到螺環(huán)自由基，進(jìn)一步接受二氫吡啶自由基的單電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生螺環(huán)陰離子中間體，其與CO2（部分CO2來源于4-CO2K-HE）的親核加成產(chǎn)生羧酸鹽，然后進(jìn)行堿促進(jìn)雙鍵重排，最后經(jīng)甲基化得到甲酯.

最近，Xi等［124］也報(bào)道了類似的可見光催化還原羧基化反應(yīng)，發(fā)展了芐氧基鄰鹵代芳基醚的去芳構(gòu)化反應(yīng)，得到了一系列的螺環(huán)羧酸（Scheme 26）. 反應(yīng)具有非常高的化學(xué)選擇性，可以高選擇性得到含有共軛環(huán)烯的螺環(huán)羧酸，反應(yīng)關(guān)鍵步驟為分子內(nèi)自由基對(duì)苯環(huán)的加成及后續(xù)的還原過程.

Scheme 26 Visible light photoredox?catalyzedsequential dearomatization/carboxylation of benzyl o?halogenated aryl ethers with CO2

除了上述可見光誘導(dǎo)（雜）芳香烴分子內(nèi)加成環(huán)化脫芳構(gòu)化，實(shí)現(xiàn)與CO2的羧化反應(yīng)外，Yu等［78］報(bào)道了一例特別的可見光驅(qū)動(dòng)的（雜）芳香烴脫芳構(gòu)化二羧基化反應(yīng)，芳環(huán)脫芳構(gòu)化并結(jié)合兩分子CO2生成重要的二酸（Scheme 27）. 該策略底物范圍廣，包括芳環(huán)上含有不同取代基的多種蒽衍生物、并四苯、苊、萘并［2，3-b］噻吩及吲哚衍生物等，反應(yīng)條件溫和，化學(xué)和非對(duì)映選擇性較高，在有機(jī)合成、藥物化學(xué)和材料科學(xué)中具有應(yīng)用潛力. 該反應(yīng)機(jī)理與前述的烯烴雙羧基化（Scheme 6）［78］類似，這里不再贅述.

Scheme 27 Visible light photoredox?catalyzedreductive dearomative and dicarboxylation of polycyclic aromatic with CO2

5 可見光促進(jìn)二氧化碳參與的C—H鍵的羧基化反應(yīng)

C（sp3）—H活化一直是有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn). CO2參與的C—H的羧基化反應(yīng)不僅要解決C—H 鍵的活化問題，還要將其與CO2利用相結(jié)合，非常且有挑戰(zhàn)性［125~127］. 2015 年，Masuda等［128］報(bào)道了紫外光促進(jìn)o-烷基苯基酮與CO2的羧基化反應(yīng)，并在2019年報(bào)道了利用紫外光促進(jìn)CO2參與苯基和脂肪族C—H鍵的羧基化反應(yīng)［129］. 這些工作都為CO2參與的C—H鍵直接羧基化反應(yīng)提供了參考，是重要的發(fā)現(xiàn)，但是由于是紫外光促進(jìn)的，這里就不多作介紹.

2019 年，K?nig 等［130］報(bào)道了利用可見光促進(jìn)氫原子轉(zhuǎn)移（HAT）的光氧化還原策略，實(shí)現(xiàn)了CO2參與的芐基C—H鍵羧化反應(yīng)（Scheme 28）. 該反應(yīng)在不添加任何金屬試劑、犧牲電子供體、電子受體或化學(xué)計(jì)量添加劑的條件下得到相應(yīng)的羧酸. 機(jī)理研究表明，該反應(yīng)中的4CzIPN的氰基（CN）在光和硅基硫醇的作用下，被芐基取代生成4CzPEBN為主要的活性催化劑. 作者提出了芐基C—H鍵羧基化的催化循環(huán)，具體經(jīng)歷如下：（1）首先可見光激發(fā)下形成4CzPEBN*；（2）通過單電子轉(zhuǎn)移，三異丙基硅硫醇（RSH）還原猝滅4CzPEBN*，產(chǎn)生硫醇自由基陽(yáng)離子RSH?+，以及光敏劑的還原態(tài)，即4CzPEBN?-；（3）R—SH?+去質(zhì)子生成親電的硫基自由基R—S?；（4）R—S?從乙苯的芐基位置攫取一個(gè)氫原子后進(jìn)入下一輪有機(jī)催化循環(huán)并產(chǎn)生芐基自由基；（5）之前形成的4CzPEBN?-還原芐基自由基形成芐基負(fù)離子.該負(fù)離子很容易被CO2捕獲，最終生成羧酸化合物（Scheme 28）.

Scheme 28 Visible light photoredox?catalyzed carboxylation of activated sp3 C—H bonds with CO2

6 可見光促進(jìn)二氧化碳參與的多組分羧基化反應(yīng)

除了兩組分反應(yīng)，可見光催化CO2參與的多組分反應(yīng)也是生成羧酸的重要方法，尤其是烯烴（或其它含不飽和鍵的化合物）發(fā)生的雙官能團(tuán)化反應(yīng). 多組分反應(yīng)體系復(fù)雜，涉及如區(qū)域選擇性、立體選擇性等諸多問題，產(chǎn)物控制難度較大，但通常可以得到一系列重要的官能團(tuán)化羧酸，在羧酸合成領(lǐng)域中具有重要意義.

6.1 二氧化碳參與的碳羧基化反應(yīng)

2017年，Martin等［131］報(bào)道了可見光催化CO2參與芳基烯烴的雙官能團(tuán)化羧基化反應(yīng)（Scheme 29）.該反應(yīng)用金屬Ir配合物作為光敏劑，以Langlois試劑、二氟甲磺酸鈉、芐基三氟硼酸鉀鹽或草酸單酯酸鹽為自由基前體，在溫和的氧化還原中性條件下實(shí)現(xiàn)了CO2參與芳烯烴的羧基化反應(yīng). 作者通過機(jī)理實(shí)驗(yàn)推測(cè)，光照下光敏劑Ir（Ⅲ）形成激發(fā)態(tài)的光敏劑Ir（Ⅲ）*，激發(fā)態(tài)的光敏劑Ir（Ⅲ）*與自由基前體發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移生成Ir（Ⅱ）和碳自由基物種，隨后對(duì)芳基烯烴進(jìn)行自由基加成得到芐基自由基物種，進(jìn)而被還原態(tài)的光敏劑Ir（Ⅱ）單電子還原為芐基碳負(fù)離子并與CO2反應(yīng)得到羧基化產(chǎn)物（Scheme 29）. 整個(gè)反應(yīng)條件溫和，不需要額外加入有機(jī)金屬還原劑、空氣敏感的有機(jī)金屬試劑及特殊的配體，為實(shí)現(xiàn)碳羧基化反應(yīng)提供了新的策略，是對(duì)經(jīng)典催化羧化反應(yīng)的補(bǔ)充，具有廣闊的應(yīng)用前景.

Scheme 29 Visible light photoredox?catalyzedintermolecular dicarbofunctionalization of styrenes with CO2 and radical precursors

2020年，Li等［132］首次以鹵代物為自由基前體，實(shí)現(xiàn)了光催化CO2參與的烯烴碳羧基化反應(yīng)，為一系列氫化肉桂酸及其衍生物的合成提供了一種高效的合成策略（Scheme 30）. 該策略采用廉價(jià)易得的甲酸鹽作為最終還原劑，多種易得的芳基鹵代物、烷基鹵代物可以作為自由基前體參與反應(yīng). 機(jī)理研究表明，體系通過HAT過程攫取甲酸鹽的酰基氫形成還原性較強(qiáng)的CO2自由基陰離子，通過單電子還原有機(jī)鹵代物得到相應(yīng)的碳自由基，進(jìn)而進(jìn)攻烯烴，再經(jīng)過單電子還原得到芐基陰離子，從而可以親核進(jìn)攻二氧化碳得到最終目標(biāo)產(chǎn)物. 該工作不僅是可見光催化還原羧基化反應(yīng)的經(jīng)典例子，而且是利用CO2自由基陰離子作為還原劑實(shí)現(xiàn)可見光催化的重要突破. 除了有機(jī)鹵代物，2021年，Sun等［133］利用親電性的肟酯作為自由基前體，實(shí)現(xiàn)了可見光催化烯烴的碳羧基化反應(yīng)，而且通過改變不同的光催化劑可以調(diào)控不同肟酯的轉(zhuǎn)化反應(yīng)（Scheme 31）.

Scheme 30 Visible light photoredox?catalyzed arylcarboxylation of styrenes and aryl halides with CO2

Scheme 31 Visible light photoredox?catalyzeddicarbofunctionalization ofstyrenes with oxime esters and CO2

值的一提的是，以上反應(yīng)均需要外加光催化劑才能實(shí)現(xiàn)，考慮到外加光催化劑合成成本高昂的問題，如果可以在無(wú)外加光催化劑的體系下實(shí)現(xiàn)光促進(jìn)的烯烴碳羧基化反應(yīng)，可能會(huì)進(jìn)一步提升此類反應(yīng)的實(shí)用性. 基于此，2021年，Yu等［134］利用4-烷基二氫吡啶類化合物（alkyl-DHPs）同時(shí)作為自由基前體和光激發(fā)還原劑，實(shí)現(xiàn)了無(wú)外加光敏劑的烯烴烷基羧基化反應(yīng)（Scheme 32）. 其中，4-烷基二氫吡啶類化合物能被可見光激發(fā)，分解得到烷基自由基前體，同時(shí)可以通過單電子還原烷基自由基與烯烴的加合物為碳負(fù)離子中間體，該中間體進(jìn)一步進(jìn)攻CO2得到目標(biāo)烷基羧酸化合物. 該類反應(yīng)條件溫和、體系簡(jiǎn)單，多種苯乙烯和丙烯酸酯類化合物及一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)烷基均可用于該反應(yīng)，為烯烴的烷基羧基化反應(yīng)提供了新思路.

Scheme 32 Visible?light?driven external?photocatalyst?free alkylative carboxylation of alkenes with CO2

可以看出，三級(jí)胺是一個(gè)良好的電子給體，經(jīng)常被用于可見光催化的還原羧酸化反應(yīng)，而自身被氧化為自由基陽(yáng)離子. 通常情況下，生成的該陽(yáng)離子會(huì)作為副產(chǎn)物被忽視. 2020年，Xi等［135］利用三級(jí)胺作為α-氨基碳自由基前體和電子給體的雙功能試劑，實(shí)現(xiàn)了可見光催化CO2參與芳基烯烴的碳羧基化反應(yīng)，得到了一系列的氨基羧酸類化合物. 其中，含吸電子基團(tuán)的芳基烯烴反應(yīng)情況較好. 機(jī)理研究推測(cè)如下：激發(fā)態(tài)光敏劑4CZIPN被胺類化合物還原猝滅得到還原態(tài)光敏劑和胺的自由基陽(yáng)離子，在堿的存在下攫取另一分子胺上的α-H形成α-烷基自由基，進(jìn)而與烯烴發(fā)生自由基加成形成自由基芐基物種，該物種被還原態(tài)光敏劑還原為碳負(fù)離子，并進(jìn)攻二氧化碳得到目標(biāo)羧酸. 體系中鋰鹽的加入有利物中間體的穩(wěn)定和加速單電子轉(zhuǎn)移過程［Scheme 33（A）］.

Scheme 33 Visible light photoredox?catalyzedalkylcarboxylation of styrenes and acrylates with CO2

同樣是生成類似的氨基羧酸類化合物，2021年，Sun等［136］則利用簡(jiǎn)單α-氨基羧酸作為碳自由基前體，在氧化還原中性的條件下，實(shí)現(xiàn)了可見光催化CO2參與烯烴的碳羧基化反應(yīng). 有意思的是，當(dāng)α-氨基羧酸上基團(tuán)含有H時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)環(huán)反應(yīng)，得到內(nèi)酰胺類化合物. 作者提出如下機(jī)理：簡(jiǎn)單氨基羧酸類化合物在堿的協(xié)助下還原猝滅激發(fā)態(tài)光敏劑，脫羧得到α-烷基自由基，進(jìn)攻烯烴形成新的自由基物種，該物種被還原態(tài)光敏劑還原得到碳負(fù)離，進(jìn)而進(jìn)攻二氧化碳得到最終目標(biāo)產(chǎn)物；當(dāng)?shù)嫌袣鋾r(shí)，可以脫水得到內(nèi)酰胺化合物［Scheme 33（B）］.

以上反應(yīng)新產(chǎn)生的羧基均需外源二氧化碳，如果能夠?qū)⒚擊确磻?yīng)與烯烴的雙官能團(tuán)化結(jié)合，把羧酸化合物作為二氧化碳源和官能團(tuán)碳源雙功能試劑去實(shí)現(xiàn)烯烴碳羧基化反應(yīng)，不僅可以簡(jiǎn)化反應(yīng)過程，實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)所倡導(dǎo)的原子經(jīng)濟(jì)性和步驟經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)大量簡(jiǎn)單易得的羧酸類化合物可以進(jìn)一步用來制備結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的羧酸. 基于這樣的理念，2021年，Yu等［137］發(fā)展了可見光催化α-氨基酸/多肽脫羧與烯烴偶合羧基化反應(yīng)，高收率地獲得一系列結(jié)構(gòu)多樣的γ-氨基酸類化合物. 反應(yīng)中α-氨基酸、二肽、三肽和烷基羧酸均能與不同取代的烯烴進(jìn)行反應(yīng)，獲得相應(yīng)的γ-氨基酸化合物. 另外，該轉(zhuǎn)化可以在日光下和低載量催化劑下高效進(jìn)行［Scheme 33（C）］.

Scheme 34 Visible light?driven and iron?promoted thiocarboxylation of styrenes and acrylates with CO2

6.2 二氧化碳參與的硫羧基化反應(yīng)

2017年，Yu等［70］報(bào)道了可見光驅(qū)動(dòng)的鐵促進(jìn)的苯乙烯和丙烯酸酯硫代羧化反應(yīng). 各種苯乙烯取代物及丙烯酸酯均有較好的反應(yīng)，并以較高的收率得到β-硫代羧酸產(chǎn)物（Scheme 34）. 重要的是，該反應(yīng)羧基化發(fā)生在苯乙烯的β位，具有很好的區(qū)域選擇性. 另外，該反應(yīng)條件溫和，具有高化學(xué)選擇性和非對(duì)映選擇性，產(chǎn)物易轉(zhuǎn)化為生物活性分子及藥物分子. 通過機(jī)理實(shí)驗(yàn)，推測(cè)機(jī)理如Scheme 34所示.首先叔丁醇鉀作為堿實(shí)現(xiàn)硫酚的去質(zhì)子化并形成鐵硫復(fù)合物，可能作為重要的光致氧化催化劑或電子轉(zhuǎn)移促進(jìn)劑. 在可見光的照射下激發(fā)態(tài)的鐵硫復(fù)合物與CO2發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移形成CO2自由基陰離子，同時(shí)形成更高價(jià)態(tài)的鐵硫復(fù)合物. CO2自由基陰離子與苯乙烯發(fā)生自由基加成得到穩(wěn)定的芐基自由基物種，該自由基與前邊形成的高價(jià)態(tài)的鐵硫復(fù)合物發(fā)生自由基-自由基偶聯(lián)，形成碳硫鍵，進(jìn)一步質(zhì)子化得到最終的硫代羧酸類化合物. 該反應(yīng)提供了一種新的可見光促進(jìn)單電子活化CO2活化模式，為CO2高效活化以及選擇性利用提供了新思路.

6.3 二氧化碳參與的膦羧基化反應(yīng)

膦氧基和羧基都是非常重要的化學(xué)基團(tuán)，通過烯烴官能團(tuán)化將二者之一引入到化合物中目前已有許多報(bào)道. 然而，通過烯烴的雙官能團(tuán)化同時(shí)將兩者引入到化合物中制備β-膦羧酸的例子之前尚未見報(bào)道. Yu 等［138］首次實(shí)現(xiàn)了可見光催化CO2參與的烯烴膦羧基化反應(yīng)（Scheme 35）. 在可見光驅(qū)動(dòng)下，烯烴、膦氧化合物和CO2三組分可以在低量的光催化劑和適量堿的條件下反應(yīng)，并以較好的收率得到一系列具有潛在生物活性的β-膦羧酸和β-膦氨基酸等化合物. 整個(gè)反應(yīng)的條件簡(jiǎn)單溫和，不需要額外加入有機(jī)金屬還原劑或?qū)諝饷舾械挠袡C(jī)金屬試劑，為β-膦羧酸和β-膦羧酸氨基酸的合成提供了新方法. 該反應(yīng)底物范圍廣泛，可用于芳基烯烴、丙烯酸酯、烯酰胺等一系列活化烯烴的膦羧基化. 另外，該反應(yīng)可在克級(jí)規(guī)模進(jìn)行，產(chǎn)物可進(jìn)一步衍生為多種具有生物活性的化合物. 基于自由基捕獲實(shí)驗(yàn)、自由基鐘實(shí)驗(yàn)及氘代實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者推測(cè)該反應(yīng)可能經(jīng)歷如下自由基歷程（以烯酰胺的膦羧基化反應(yīng)為例）：激發(fā)態(tài)的光敏劑4CzIPN*通過單電子氧化自由基前體產(chǎn)生膦氧自由基物種并生成4CzIPN自由基負(fù)離子，隨后該膦氧自由基物種對(duì)烯烴加成得到相對(duì)穩(wěn)定的碳自由基物種，進(jìn)而被還原態(tài)的4CzIPN單電子還原為碳負(fù)離子，并與CO2反應(yīng)得到羧基化產(chǎn)物.

Scheme 35 Visible light?driven phosphonocarboxylation of alkenes with CO2

6.4 二氧化碳參與的硅羧基化反應(yīng)

2018年，Wu等［139］利用光催化劑和氫原子轉(zhuǎn)移催化劑的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了可見光催化CO2參與的烯烴硅酸羧基化反應(yīng)，該體系可以利用胺類和醚類為原料，通過碳?xì)滏I活化實(shí)現(xiàn)烯烴的碳羧基化反應(yīng)（Scheme 36）. 一系列取代苯乙烯、硅烷可以與CO2反應(yīng)，得到較高收率的烯烴硅羧基化產(chǎn)物，并且連續(xù)流技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)克級(jí)規(guī)模放大. 除了缺電子的芳基烯烴外，該反應(yīng)還可用于丙烯酸酯、丙烯腈及乙烯基砜等缺電子烯烴，但對(duì)于未活化的普通烯烴并不適用. 機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的4CzIPN*被3-乙酰氧基奎寧還原猝滅，得到4CzIPN自由基陰離子，同時(shí)得到3-乙酰氧基奎寧自由基陽(yáng)離子中間體，進(jìn)而促進(jìn)硅氫鍵或者碳?xì)滏I的氫原子轉(zhuǎn)移，生成硅基或碳基自由基和喹寧陽(yáng)離子. 硅基或碳基自由基與烯烴發(fā)生自由基加在反應(yīng)，得到相對(duì)穩(wěn)定的碳自由基中間體，被還原態(tài)的4CzIPN還原得到碳負(fù)離子中間體，最后親核進(jìn)攻CO2得到最終產(chǎn)物.

Scheme 36 Visible light photoredox?catalyzed metal?free difunctionalization of alkenes with CO2 and si?lanes or C(sp3)—H alkanes

值的注意的是，通過合理的設(shè)計(jì)，也可以通過活化C—Si 鍵來實(shí)現(xiàn)其羧酸化反應(yīng). 2021 年，Xi等［140］首次報(bào)道了一例新型的可見光誘導(dǎo)的?；柰榕cCO2的羧化反應(yīng)，該反應(yīng)不需要催化劑和還原劑，反應(yīng)條件溫和，酯化后以中等至高產(chǎn)率獲得一系列α-酮酯. 機(jī)理研究表明，甲硅烷氧基卡賓更可能從?；柰榈腟1狀態(tài)生成，添加劑的主要作用是穩(wěn)定硅氧卡賓并增強(qiáng)其親核性，而生成的羧酸銫沉淀將推動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行. 推測(cè)反應(yīng)路徑如下：?；柰樵诠庹障碌狡鋯沃丶ぐl(fā)態(tài)，經(jīng)歷1，2-甲硅烷基位移以產(chǎn)生單重態(tài)甲硅烷氧基卡賓中間體，隨后在Cs2CO3存在下親核進(jìn)攻CO2得到羧基化產(chǎn)物酮酸（Scheme 37）.

Scheme 37 Visible light?driven carboxylation ofacylsilanes and CO2

6.5 二氧化碳參與的烯烴遠(yuǎn)程雙官能團(tuán)化反應(yīng)

總觀以上所涉及烯烴的轉(zhuǎn)化，主要局限于活化烯烴（如苯乙烯、丙烯酸酯等）的羧基化. 然而，由于普通烯烴活性比較低，利用CO2參與普通烯烴的羧基化反應(yīng)存在巨大困難. 此外，二氧化碳參與的烯烴的遠(yuǎn)程官能團(tuán)化，對(duì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)更為多樣的羧酸并將之進(jìn)一步應(yīng)用具有重要的意義，同時(shí)也更具有挑戰(zhàn)性. 2021年，Yu等［141］報(bào)道了首例可見光催化CO2參與的非活化烯烴遠(yuǎn)程雙官能團(tuán)化羧基化反應(yīng)（Scheme 38）. 該反應(yīng)在氧化還原中性條件下實(shí)現(xiàn)了CO2和三氟甲基化試劑參與非活化烯烴的遠(yuǎn)程三氟甲基化-羧基化反應(yīng)，并獲得了一系列含有三氟甲基的氨基酸類化合物. 該體系條件溫和、底物范圍廣、官能團(tuán)容忍性好，不僅適用于三氟甲基化-羧基化反應(yīng)，也適用于二氟甲基自由基和膦氧自由基參與的烯烴雙官能團(tuán)化羧基化反應(yīng). 作者通過一系列控制實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算證明，該反應(yīng)歷經(jīng)了自由基加成、1，5-氫原子轉(zhuǎn)移（HAT）形成芐基自由基、單電子還原生成芐基碳負(fù)離子以及對(duì)CO2的親核進(jìn)攻等過程（Scheme 38）.

Scheme 38 Visible light photoredox?catalyzed remote difunctionalizing carboxylation of unactivated alkenes with CO2

7 總結(jié)與展望

隨著光化學(xué)的不斷發(fā)展和人們對(duì)CO2利用水平的逐步提升，光促進(jìn)CO2參與的羧基化反應(yīng)近年來取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這些進(jìn)步主要體現(xiàn)在：（1）反應(yīng)類型的多樣化、底物類型多樣化發(fā)展；（2）反應(yīng)所需光能由能量較高的紫外光轉(zhuǎn)為可見光；（3）二氧化碳的活化模式有單電子活化和雙電子活化；（4）提出多種光促進(jìn)反應(yīng)的催化模式.

同時(shí)這個(gè)研究領(lǐng)域依然有諸多具有挑戰(zhàn)性的問題亟待解決：

（1）與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的底物大多數(shù)是一些活性較高的反應(yīng)底物，如烯烴多為苯乙烯、丙烯酸衍生物等活化烯烴，而較為惰性且更常見的普通烯烴和烷基醛酮等參與二氧化碳羧基化反應(yīng)的例子雖然有報(bào)道［142］，但相對(duì)較少且多數(shù)條件苛刻，同時(shí)利用二氧化碳高效合成像己二酸等大宗工業(yè)羧酸原料的研究還不成熟.

（2）在目前的反應(yīng)體系下，反應(yīng)規(guī)模放大尚存一定問題，雖然已出現(xiàn)連續(xù)流的反應(yīng)方式為此類問題的解決提供了很好的思路，但是大多數(shù)反應(yīng)目前還不能適用，極大地限制了光催化二氧化碳參與羧基化反應(yīng)的大規(guī)模應(yīng)用.

（3）由于目前應(yīng)用于該領(lǐng)域的有機(jī)小分子光催化劑的反應(yīng)活性和種類有限，導(dǎo)致大多數(shù)反應(yīng)局限于活化底物，直接通過可見光催化二氧化碳活化和精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化目前還鮮見報(bào)道，因此需要大力開發(fā)新型光催劑，促進(jìn)該領(lǐng)域發(fā)展；而從目前二氧化碳利用情況來看，除以上有機(jī)光催化劑外，無(wú)機(jī)物或復(fù)合物在二氧化碳的活化中有著非常優(yōu)異的表現(xiàn)，有望在光催化羧基反應(yīng)，特別是大宗羧酸類工業(yè)原料光合成上起到重要作用.

（4）目前還沒有針對(duì)性較強(qiáng)的、系統(tǒng)的理論體系來指導(dǎo)此類反應(yīng)的開發(fā)，所以有必要加強(qiáng)理論指導(dǎo)，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)可見光促進(jìn)二氧化碳轉(zhuǎn)化的幫助［143］. 相信在各方面努力下，可見光促進(jìn)CO2參與的羧基化反應(yīng)將會(huì)繼續(xù)蓬勃發(fā)展，成為綠色高效合成高附加值羧酸的重要方法.