电化学选择性氢羧化丙烯酰胺实现α-和β-位点精准调控的CO2转化新策略

《Communications Chemistry》：Electrochemical selective hydrocarboxylation of acrylamides with carbon dioxide for precise control of α- and β-carboxylation

本文报道了一种电化学驱动丙烯酰胺与CO2的区域选择性氢羧化反应，通过调控溶剂和电解质，可精准合成α-或β-羧基化产物。该研究突破了丙烯酰胺反应活性低的限制，为CO2资源化利用提供了原子经济性高、条件温和的新方法，对绿色合成及碳中和目标具有重要意义。

　　

随着全球碳中和目标的推进，二氧化碳（CO₂）作为廉价、无毒的C1资源，其化学固定与转化研究备受关注。其中，烯烃与CO₂的氢羧化反应可直接合成具有高附加值的羧酸类化合物，是绿色合成领域的重要方向。然而，现有研究多集中于反应活性较高的丙烯酸酯类底物，而对电子云密度更低、反应难度更高的丙烯酰胺类化合物鲜有报道。由于丙烯酰胺分子中氮原子与羰基的共轭效应削弱了碳碳双键的亲核性，其与CO₂的选择性羧化面临巨大挑战。尽管已有研究通过光催化实现了β-位点羧化，但如何精准调控反应位点（α-或β-）仍属空白。

针对这一难题，新疆大学刘晨江教授团队在《Communications Chemistry》发表最新研究，提出了一种电化学驱动的丙烯酰胺选择性氢羧化新策略。通过巧妙调节溶剂和电解质，首次实现了α-和β-羧化产物的精准合成，为CO₂的高值化利用提供了新思路。

关键技术方法

研究采用恒电流电解技术，在非分隔电解池中系统优化了阳极材料（镁、铝、锌、石墨）、电解质（四丁基铵盐等）和溶剂（DMF、乙腈等）。通过控制实验（自由基捕获、氘代标记）和循环伏安法验证反应路径，结合DFT（密度泛函理论）计算揭示了α-和β-羧化的差异化机理。底物适用范围涵盖芳基、萘环、四氢喹啉等取代丙烯酰胺，并通过X射线单晶衍射确认产物结构。

反应条件优化

以N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺（1a）为模型底物，在1 atm CO₂氛围下进行条件筛选。研究发现：以镁为阳极、TBAC（四丁基氯化铵）为电解质、DMF为溶剂时，β-羧化产物2a的分离产率达70%；而改用乙腈为溶剂、TEAClO₄（四乙基高氯酸铵）为电解质、-10°C反应时，α-羧化产物3a成为主产物（产率70%）。溶剂和电解质的协同效应是调控选择性的关键。

底物适用范围

β-羧化反应对苯环含供电子或吸电子基团的N-甲基-N-苯基丙烯酰胺均适用（2a-2m），萘环（2n）和四氢喹啉（2o）底物也能顺利反应。N-苯基丙烯酰胺的N-取代基（异丙基、环己基等）和烯烃位取代基（2t-2w）均表现出良好兼容性。α-羧化反应对苯环供电子基底物（3a-3g）效果更佳，吸电子基取代（3h-3l）或NH未保护底物（3s-3t）亦可反应。值得注意的是，吲哚类底物在α-羧化条件下意外生成β-羧化产物（5a-5f）。

机理研究

自由基捕获实验表明反应经历自由基路径。氘代标记证实β-羧化中存在β-碳负离子中间体，而α-羧化中质子优先于CO₂与底物加成。DFT计算表明：β-羧化由底物或CO₂的单电子还原启动，而α-羧化始于底物的氢化还原。循环伏安曲线显示，CO₂的加入显著改变还原峰形，印证其参与电子转移过程。

结论与展望

该研究突破了丙烯酰胺氢羧化反应位点不可控的瓶颈，通过电化学策略实现了α-和β-羧化的精准切换。其温和条件、宽泛的底物适应性及高原子经济性为CO₂资源化提供了新范式，也为生物活性分子修饰奠定了方法学基础。未来通过反应器设计与电解质优化，有望进一步拓展至复杂分子后期功能化应用。