近年来，光催化技术的快速发展为C1源的高效转化提供了丰富手段，使得以可再生碳源为基础的精细化合物合成成为可能。其中，甲酸盐（formate salts）由于其廉价、稳定、非气体形态等优势，正逐渐从传统的氢源转变为光催化羧化反应中的关键碳源。通过单电子转移（SET）或氢原子转移（HAT）路径，甲酸盐可生成具有极强还原性和亲核性的二氧化碳自由基阴离子（CO₂·⁻），进而对烯烃进行加成反应。

过去的大多数研究集中在这类中间体对烯烃的线性选择性Giese型加成反应，其产物主要为β-羧酸，体现出反马氏（anti-Markovnikov）选择性。例如，Wickens等人首次实现了CO₂^·⁻对活性烯烃的β-羧化，而后Li、Jui等研究者亦不断拓展其适用底物范围。然而，CO₂^·⁻在热力学上更倾向于线性加成，因此，如何实现CO₂·⁻对烯烃的α位（即马氏型）选择性羧化，构建支链羧酸，成为一个长期未解的挑战。

另一方面，金属氢化物（M−H）介导的氢原子转移（MHAT）策略在催化C−H官能团化中表现出高度区域选择性，特别适用于生成稳定的苄自由基（benzyl radicals）。借助Co、Fe、Mn等可持续金属，MHAT策略可以精准地诱导自由基中间体的生成，为与CO₂^·⁻的交叉偶联反应提供了可能性。

图片来源：JACS

正是在这一背景下，本研究团队试图开发一种全新的、可见光驱动的催化体系，结合光催化、钴催化、Bro̷nsted酸协同作用，实现CO₂^·⁻与苄自由基的区域选择性交叉偶联反应，从而实现甲酸盐对烯烃的马氏羧化反应，为构建复杂支链羧酸提供通用而温和的方法学基础。

本研究开发了一种可见光条件下实现甲酸盐选择性α-羧化（马氏加成）的方法学，突破传统CO₂^·⁻线性加成路径的局限，拓展其在复杂分子修饰和碳同位素标记等方向的应用潜力。为此，作者设计了一种三催化协同系统，分别为：钴催化金属氢化物（Co–H）促进的MHAT自由基生成、可见光诱导甲酸盐生成CO₂^·⁻的光催化过程，以及Brønsted酸辅助的质子转移过程。三者协同作用，通过精确调控CO₂^·⁻与苄自由基的形成速率，使得两者能在合适的时间窗中发生有效交叉偶联。

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核心创新在于引入一种稳定的双质子化DABCO盐（BAT-1），该前催化剂兼具HAT催化和Brønsted酸特性，能够在一个分子框架内协调HAT和Co–H两个子循环的反应动力学，实现催化周期的精准匹配。通过机制图可以看出，BAT-1在还原条件下参与甲酸盐的活化，生成CO₂^·⁻，同时也提供质子源以形成关键的Co(III)-H物种，从而驱动MHAT过程生成稳定的苄自由基。这种自由基在“持久自由基效应”（PRE）的作用下，与短寿命的CO₂^·⁻高效交叉偶联，实现区域可控的马氏羧化。

优化实验以二苯乙烯为模型底物，筛选出最佳反应条件，包括Co-1为钴催化剂、4-DPAIPN为光催化剂、BAT-1为协同前催化剂，Na₂CO₃为碱，溶剂为DMSO:THF（2:1），在450 nm LED照射下，产率高达77%。此外，作者还构建了一系列DABCO衍生的BAT类前催化剂（如BAT-2、BAT-3），并通过核磁分析、同位素标记、动力学同位素效应（KIE）等实验，以及DFT计算，系统揭示了催化机制和能量路径。

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本工作提出了一种全新的CO₂^·⁻反应路径设计理念，首次在非活化烯烃体系中实现了甲酸盐的Markovnikov型羧化反应，填补了该领域的长期空白。与传统的线性羧化策略相比，该方法不仅在区域选择性上实现了反转，更重要的是，它为CO₂^·⁻这一反应活性极高但易自聚合的中间体开辟了新的合成维度，使其能参与构建高度拥挤的四取代碳中心等高价值结构单元。

此外，作者开发的BAT类前催化剂作为同时具备氢转移与质子转移功能的双功能分子，其分子设计理念具有广泛的适应性和拓展性，为未来其他串联自由基反应或金属催化-光催化协同反应提供了参考。特别值得一提的是，该方法能够应用于复杂天然产物和药物分子的后期功能化改造，甚至在碳-13标记领域展现出优异的区域选择性和同位素掺杂效率，极具药物代谢追踪和放射影像开发的实际潜力。

综合来看，本研究不仅在反应选择性控制、催化剂设计及中间体活性调控等方面取得了实质性突破，同时也为未来以光驱动方式实现高精度C–C键构建提供了可靠策略，在绿色合成、同位素标记及复杂骨架构建等领域具备重要推广价值。

标题：Redirecting Formate Delivery toward Alkenes: Markovnikov α-Carboxylation via Cobalt/Photoredox/Bro̷nsted Acid Catalysis

作者：Shantanu Nandi,* Souvik Majumder, Alejandro García-Eguizábal, Ignacio Funes-Ardoiz,* and Dorota Gryko*

链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c13504