二氧化碳（CO₂）作为一种储量丰富、无毒且可持续的碳资源，其高效转化合成多种高附加值化学品受到了化学家们的广泛关注。过去几十年，研究者们已经发展出一系列方法将CO₂转化为多种羧酸类化合物，但是由于CO₂自身的热力学稳定性和动力学惰性，其转化通常需要较苛刻的条件；此外，CO₂非极性的分子结构使得其与金属的配位能力较弱。因此以CO₂为原料，通过金属催化不对称碳-碳键形成来合成手性羧酸一直是该领域的挑战性难题。尽管近年来也有一些CO₂不对称催化转化的报道，但大多数都集中在中心手性的构建，而利用CO₂的不对称羧化反应构建轴手性羰基化合物的研究还很少。近十年来，光氧化还原与过渡金属协同催化体系受到越来越多的关注，与单一催化体系相比，该协同催化体系将光催化和过渡金属催化的优势相结合，不仅打破了传统金属催化的反应模式，而且光催化体系的引入使得催化金属的价态更加丰富可调，从而带来新的反应性能。除此之外，光催化和金属催化这两个独立的催化循环能够实现更加精细的反应性和选择性调控。

图1. 光氧化还原/过渡金属协同催化CO₂的不对称羧化反应

近日，上海交通大学变革性分子前沿科学中心刘家旺课题组利用光/钯协同催化体系，发展了联杂芳环（类）卤代物与CO₂以及烷基溴化物的串联不对称羧化和原位酯化反应，通过动态动力学不对称转化过程，成功实现了CO₂参与轴手性酯的高效、高选择性合成（图1）。机理研究表明：加入烷基溴原位快速捕获手性羧基阴离子中间体从而生成构象稳定的轴手性酯，是反应取得成功的关键。

作者以1-（2-溴萘-1-基）异喹啉1a和1-溴正己烷2a作为模板底物，以4CzIPN为光催化剂，Pd(acac)2作为钯催化剂前体，(R)-BTFM-Garphos (L1) 为手性配体，DIPEA作为还原剂，碳酸铯作碱，双三氟甲磺酰亚胺锂和4Å分子筛作为反应添加剂，N, N-二甲基乙酰胺作溶剂，在一个大气压CO₂氛围以及455 nm蓝光照射下，16 ℃反应24小时，即可以89%的分离产率以及96%的ee值得到产物3aa。在最优反应条件下，作者首先对烷基溴底物适用范围进行了考察，多种烷基溴化物上的各种官能团如氟、氯、甲氧基、三氟甲基、膦酸酯基以及一些药物分子片段均具有良好的兼容性（图2）。

图2 烷基溴化物底物拓展

随后，作者还对联杂芳环卤代物进行了考察。萘环不同位置的多种取代基对于反应的影响较小，能以良好到优秀的产率以及优秀的对映选择性得到相应的产物（图3）。

图3 联杂芳环卤代物底物拓展

为了更深入地理解反应机理，作者设计了一系列控制实验进行反应机理研究（图4），包括：荧光淬灭实验、循环伏安实验，自由基淬灭和自由基钟实验，反应动力学实验以及产物消旋动力学实验等。实验结果表明：（1）反应涉及光氧化还原/过渡金属协同催化的串联对映收敛羧化/取代酯化的过程；（2）羧化反应产生的羧酸阴离子原位被烷基溴快速捕获，从而生成了构象稳定的轴手性酯，这是反应取得高对映选择性的关键因素之一。

图4 机理研究

总之，该工作开发了一种高效的光氧化还原/钯协同催化体系，实现了CO₂参与的轴手性酯的合成，反应具有对映选择性高、底物范围广以及官能团耐受性强等优点。反应成功的关键在于加入烷基溴原位快速捕获手性羧基阴离子从而产生构象稳定的轴手性酯。该反应不仅为轴手性羧酸酯的合成提供了简洁温和的路线，同时也为二氧化碳的不对称转化提供了新思路。

该研究工作近期以Synergistic Photoredox/Palladium Catalyzed Enantioconvergent Carboxylation of Racemic Heterobiaryl (Pseudo)Halides with CO₂为题发表在Angew. Chem. Int. Ed上，文章通讯作者为上海交通大学刘家旺副教授，第一作者为上海交通大学博士研究生叶必海，博士生苏雷、郑恺霆以及博士后高申都参与了部分工作。该项工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、交大2030计划和上海市启明星资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202413949