在那個(gè)基于NHC三重態(tài)的CO2還原體系因活性物種穩(wěn)定性問題而宣告放棄的一年后，Rita產(chǎn)生了新的想法。在前作中，CO2還原是借助自由基對(duì)CO2加成，形成RCOO·自由基并重排為ROCO·隨后脫去CO來(lái)實(shí)現(xiàn)的，之所以沒有考慮基態(tài)，是由于對(duì)于NCN型NHC，其與CO2的加和物中羧基與NHC環(huán)在基態(tài)下為平面構(gòu)型，不利于發(fā)生進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。而無(wú)意間，Rita發(fā)現(xiàn)，與NCN型卡賓不同，NCC型卡賓（形如1A）與CO2形成的加和物中，CO2與環(huán)平面垂直，并且與一個(gè)形式上電中性的氧雜環(huán)丙酮結(jié)構(gòu)達(dá)成平衡，因此設(shè)想這個(gè)高張力的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)可以脫去CO；遺憾的是這個(gè)過程能壘很高。雖然這條路沒能走通，卻帶來(lái)了啟示：當(dāng)親核試劑對(duì)這個(gè)氧雜環(huán)丙酮1CO2_cyc開環(huán)形成9后，有可能可以消除一氧化碳（也就是發(fā)生了從CO2到NHC的形式上的OAT）；更進(jìn)一步的，如果將CO2擴(kuò)展到一般的羰基化合物，則可以用于制備卡賓或卡賓等價(jià)物，從而帶來(lái)了這篇工作。
從時(shí)間順序上，Rita是首先檢查了二氧化碳的轉(zhuǎn)化，隨后將反應(yīng)擴(kuò)展到苯甲醛上。而在行文時(shí)則將兩個(gè)反應(yīng)的順序顛倒了過來(lái)，先講苯甲醛的反應(yīng)。
苯甲醛和NHC的形式OAT
從2016年開始，人們就知道了穩(wěn)定卡賓1B與烯烴和醛都能發(fā)生可逆的加成并生成三元環(huán)化合物2B。這一部分以兩類NCC型卡賓，1A和1B出發(fā)進(jìn)行研究。苯甲醛與1A1反應(yīng)直接生成4A和單重態(tài)苯甲基卡賓熱力學(xué)是高度不利的，因而這部分研究的是當(dāng)膦存在下生成“卡賓等價(jià)物”（膦葉立德）的過程。2與膦開環(huán)后生成偶極離子中間體3，隨后迅速消除膦葉立德生成4。對(duì)1B1的完整勢(shì)能面如下：
其中括號(hào)內(nèi)外分別為THF和MeCN中的結(jié)果。這個(gè)反應(yīng)最明顯的問題在于表觀能壘高達(dá)26.1 kcal/mol，因此接下來(lái)的工作重心在于盡可能改進(jìn)其反應(yīng)活性。總體而言1B的反應(yīng)活性高于1A，這一現(xiàn)象可通過后者在環(huán)氧開環(huán)過程中斷裂的C-O鍵較低的反鍵軌道的能量加以解釋。為了促進(jìn)環(huán)氧開環(huán)，嘗試了引入Li+或Mg2+，結(jié)果反而有害。
雖然這篇文章中失敗的嘗試只放了這么幾個(gè)分子，工作進(jìn)行過程中實(shí)則是在反復(fù)碰壁中度日的，手中有無(wú)數(shù)條改進(jìn)的思路，設(shè)計(jì)出難以計(jì)數(shù)的分子，最終全部折戟，甚至都不值一寫。數(shù)百個(gè)小時(shí)的試錯(cuò)最終整理起來(lái)也不過是這么一張圖，屬實(shí)有一種悲壯的感覺。
為了降低環(huán)氧開環(huán)步驟的能壘，最終采用了分子內(nèi)策略。分子內(nèi)策略還有一個(gè)好處：注意到中間體3，對(duì)分子間反應(yīng)，隨著C-C鍵旋轉(zhuǎn)，它有可能形成四元環(huán)P-O中間體而消除Me3PO導(dǎo)致不希望的副反應(yīng)，而分子內(nèi)反應(yīng)中這條副反應(yīng)途徑被堵死了。在這里設(shè)計(jì)出了3個(gè)帶有分子內(nèi)膦的NHC分子（1B2-1B4）。這部分反應(yīng)要想成功進(jìn)行，還必須能克服另一個(gè)副反應(yīng)：分子內(nèi)膦與NHC自身結(jié)合并與苯甲醛加成，隨后經(jīng)由膦氧中間體生成不希望的Wittig產(chǎn)物7。因此以下檢查了這三個(gè)分子的相應(yīng)勢(shì)能面：
很不幸地，分子1B2的競(jìng)爭(zhēng)性Wittig過程比希望的反應(yīng)路徑更快（對(duì)醛加成是決速步），而顯然1B3中更短的側(cè)鏈帶來(lái)的橋環(huán)骨架的張力封堵住了不希望的副反應(yīng)。1B4同樣是預(yù)期的形式OAT反應(yīng)比副反應(yīng)更快，只不過表觀能壘比1B3稍高。至此，通過這部分設(shè)計(jì)，我們得到了兩個(gè)有望用于與醛發(fā)生形式OAT生成膦葉立德的候選分子。
CO2和NHC的形式OAT
NHC與二氧化碳形成雙極離子和環(huán)形兩種加和物的現(xiàn)象也早被人知。首先以化合物1A4為模型，以9的能量為指標(biāo)（不用8是因?yàn)椴⒎撬杏H核試劑都存在對(duì)應(yīng)的8）篩選了一系列親核試劑，發(fā)現(xiàn)酚氧負(fù)離子，咪唑負(fù)離子和2,4-二羥基吡啶單負(fù)離子是比較有希望的。通過分子內(nèi)氫鍵、金屬離子來(lái)穩(wěn)定9雖然有成效但并不顯著，加上為了避免處理質(zhì)子轉(zhuǎn)移或溶劑合金屬離子的麻煩，接下來(lái)只考慮非質(zhì)子溶劑中的情形，并且不引入金屬。
接下來(lái)照樣使用分子內(nèi)策略，這次以8的能量作為指標(biāo)（上圖數(shù)據(jù)的格式為氣相/THF/乙腈），可以篩選掉大部分設(shè)計(jì)出來(lái)的分子，唯獨(dú)1A7ea, 1A15, 1A16 表現(xiàn)較好（1A15少畫了一個(gè)甲基，新版已修改），因此用于進(jìn)一步研究。
與苯甲醛的反應(yīng)類似，這部分也需要同時(shí)考慮兩個(gè)resting state 11和12的存在，當(dāng)它們能量足夠低時(shí)，期望的反應(yīng)就會(huì)被嚴(yán)重阻礙。好在對(duì)于上述三個(gè)分子，這些resting state都不成威脅（這是由于1A15和1A16要形成這幾個(gè)resting state則必將形成四元環(huán)）。至于期望的路徑，1A7ea顯然能壘過高，而1A15的表觀能壘為27.7 kcal/mol（THF溶劑），仍然無(wú)法被室溫反應(yīng)的目標(biāo)所容許。
然而注意到1A15的表觀能壘對(duì)溶劑化特別敏感?？傮w上這類反應(yīng)的能壘隨著溶劑極性增大都是上升的，這是由于溶劑化穩(wěn)定了雙極離子1CO2,而1A15參與的反應(yīng)對(duì)溶劑的敏感程度則在眾多檢查的NHC中也是較高的。相比于THF中27.7 kcal/mol，氣相下其能壘僅14.3 kcal/mol，而甲苯中則是21.8 kcal/mol。因此我們有理由推測(cè)，在低極性溶劑中，上述NHC促進(jìn)的室溫CO2轉(zhuǎn)化是有希望的。而這一反應(yīng)中NHC被轉(zhuǎn)化為了脲，如果能串聯(lián)一個(gè)酰胺還原系統(tǒng)，隨后消除水分子，便能實(shí)現(xiàn)NHC的再生，催化CO2還原不是夢(mèng)（雖然顯然要將這些條件迥異的反應(yīng)組合到一起是極為困難的）。
總結(jié)而言，在這篇工作中，Rita設(shè)計(jì)了一類NHC參與的形式OAT反應(yīng)，使得能夠?qū)⑷┺D(zhuǎn)化為磷葉立德，或是將CO2轉(zhuǎn)化為CO。對(duì)Rita來(lái)說(shuō)這不過是一個(gè)花一個(gè)月時(shí)間玩玩的小工作，不過也算是彌補(bǔ)了去年冬天三重態(tài)NHC止步于中間體穩(wěn)定性問題的遺憾。
DOI: 10.26434/chemrxiv.13256831.v1
