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γ-內酰胺是一類重要的結構骨架，其廣泛存在于天然產物和藥物中（Fig. 1a）。鑒于其重要性，探索γ-內酰胺的合成方法具有重要意義。通常來講，γ-內酰胺是由氨基酸衍生物在定量的偶聯聯劑（如N,N'-雙環己基碳二亞胺—DCC，乙酸酐等）存在下縮合而成的（Fig. 1b）。除此之外，氮保護的酰胺或二噁唑酮的N-烷基化和酰基化也是合成γ-內酰胺的重要手段。然而，所有這些策略通常都需要對底物進行預官能團化，同時還面臨著一系列副反應的發生。下載化學加APP到你手機，更加方便，更多收獲。

近些年，二氧化碳參與的有機合成反應在藥物和精細化學品合成方面有著巨大的應用。然而，實現這些轉化均需要使用純二氧化碳氣體，而實現二氧化碳的凈化則需要較高的成本。最近，德國拜羅伊特大學Shoubhik Das課題組基于Schoenebeck 和Rovis利用二氧化碳作為活化劑來構建γ-內酰胺的開創性工作（Fig. 1c），發展了利用商業可得的烯烴和胺作為起始原料和汽車尾氣作為二氧碳源，直接實現了γ-內酰胺的合成（Fig. 1d）。

（圖片來源：Nat. Commun.）

首先，作者以N-乙基苯胺1a和1,1-二苯基乙烯2a作為模板底物對反應進行探索（Table 1）。通過一系列條件篩選，作者發現當使用1a (1.2 equiv), 2a (1.0 equiv), Ir(ppy)₂(dtbbpy)PF₆ (0.2mol%), KHCO₃ (20mol%), 在DMF (2.0 mL)中，40W blue Kessil lamp (λ = 456 nm)照射下，CO₂氣球存在下，室溫反應20小時，可以以 98% 的核磁產率和90%的分離產率得到相應的γ-內酰胺產物3a（entry 1）。控制實驗表明，反應在不存在光催化劑、堿、二氧化碳和光照等條件下是不能發生的（entries 7-10）。此外，當將此轉化放大至10.0 mmol規模時仍可以以92%的產率得到產物，證明了此轉化的實用性（entry 11）。值得注意的是，當直接使用汽車尾氣（CO₂: 10.8414%, N₂: 61.0585%, CO: 0.0054%, O₂: 2.4532%, CH₄: 0.0061% 和其它）作為碳源時，可以以85%的產率得到產物3a（entry 12）。

（圖片來源：Nat. Commun.）

在得到了最優反應條件后，作者對此轉化的底物范圍進行了探索（Fig. 2）。實驗結果表明，此轉化對一系列不同取代的胺和烯烴均具有良好的兼容性，以33-98%的產率得到相應的γ-內酰胺或ε-內酰胺產物3a-3z, 3aa-3ac, 4a-4p。值得注意的是此體系對鹵素、烷基、三氟甲氧基、酯基、羧基、氰基、炔基等一系列基團均可兼容，展現了此體系的良好官能團兼容性。

（圖片來源：Nat. Commun.）

接下來，為了證明此轉化的使用性，作者探索了一系列生物活性分子的兼容性，從而為生物活性分子中引入γ-內酰胺骨架提供了新的策略（Fig. 3）。實驗結果表明，包括cholesterol (5a), (+)-dehydroabietylamine (5b), oleylamine (5c), (-)-cis-myrtanylamine (5d), tocopherol (5e), nerol (5f), L-menthol (5g), fenofibrate (5h), flurbiprofen (5i) 和 dexibuprofen (5j) 等生物活性分子均可兼容此轉化，以40-86%的產率得到相應的產物5a-5m，進一步證明了此轉化的實用性。特別值得注意的是，當直接使用汽車尾氣（包含CO₂, N₂, H₂O, CO, NOx和 O₂）作為碳源時，仍可以以49-71%的產率得到相應的產物5bb-5db, 5gb, 5ib, 5jb。

為了深入理解反應機理，作者進行了一系列控制實驗（Fig. 4）。首先，自由基捕獲實驗表明，反應中涉及α-氨基自由基中間體（Fig. 4a）。隨后，氘標記實驗表明γ-氨基芐基陰離子可能是反應中的活性中間體（Fig. 4b）。此外，當使用庚醛作為親電試劑時可以以中等產率（65%）得到γ-氨基醇產物，進一步證明了γ-氨基芐基陰離子中間體的存在（Fig. 4c）。緊接著，作者通過三氟甲基烯烴的脫氟烷基化實驗進一步支持了γ-氨基芐基陰離子中間體的存在（Fig. 4d）。接下來，¹³CO₂標記實驗清晰的表明γ-內酰胺產物中的羰基來自于二氧化碳（Fig. 4e）。最后，開關燈實驗表明光照對實現此轉化至關重要。

（圖片來源：Nat. Commun.）

基于上述實驗結果，作者提出了此轉化可能的反應機理（Fig. 5）。首先，[Ir^III]光催化劑被可見光激發得到[Ir^III]*。隨后，激發的[Ir^III]*絡合物作為氧化劑接受1a提供的電子形成物種A和[Ir^II]。接下來。A在KHCO₃的協助下失去質子得到自由基中間體B，并與2a反應得到自由基物種C。緊接著，C與[Ir^II]經歷單電子轉移（SET）還原得到γ-氨基芐基陰離子中間體D。在二氧化碳存在下，物種D進攻二氧化碳的親電碳中心形成相應的羧基負離子E。最后，通過分子內親核進攻得到相應的γ-內酰胺產物。

（圖片來源：Nat. Commun.）