在那个基于NHC三重态的CO2还原体系因活性物种稳定性问题而宣告放弃的一年后，Rita产生了新的想法。在前作中，CO2还原是借助自由基对CO2加成，形成RCOO·自由基并重排为ROCO·随后脱去CO来实现的，之所以没有考虑基态，是由于对于NCN型NHC，其与CO2的加和物中羧基与NHC环在基态下为平面构型，不利于发生进一步转化。而无意间，Rita发现，与NCN型卡宾不同，NCC型卡宾（形如1A）与CO2形成的加和物中，CO2与环平面垂直，并且与一个形式上电中性的氧杂环丙酮结构达成平衡，因此设想这个高张力的结构应当可以脱去CO；遗憾的是这个过程能垒很高。虽然这条路没能走通，却带来了启示：当亲核试剂对这个氧杂环丙酮1CO2_cyc开环形成9后，有可能可以消除一氧化碳（也就是发生了从CO2到NHC的形式上的OAT）；更进一步的，如果将CO2扩展到一般的羰基化合物，则可以用于制备卡宾或卡宾等价物，从而带来了这篇工作。

从时间顺序上，Rita是首先检查了二氧化碳的转化，随后将反应扩展到苯甲醛上。而在行文时则将两个反应的顺序颠倒了过来，先讲苯甲醛的反应。

苯甲醛和NHC的形式OAT

从2016年开始，人们就知道了稳定卡宾1B与烯烃和醛都能发生可逆的加成并生成三元环化合物2B。这一部分以两类NCC型卡宾，1A和1B出发进行研究。苯甲醛与1A1反应直接生成4A和单重态苯甲基卡宾热力学是高度不利的，因而这部分研究的是当膦存在下生成“卡宾等价物”（膦叶立德）的过程。2与膦开环后生成偶极离子中间体3，随后迅速消除膦叶立德生成4。对1B1的完整势能面如下：

其中括号内外分别为THF和MeCN中的结果。这个反应最明显的问题在于表观能垒高达26.1 kcal/mol，因此接下来的工作重心在于尽可能改进其反应活性。总体而言1B的反应活性高于1A，这一现象可通过后者在环氧开环过程中断裂的C-O键较低的反键轨道的能量加以解释。为了促进环氧开环，尝试了引入Li+或Mg2+，结果反而有害。

虽然这篇文章中失败的尝试只放了这么几个分子，工作进行过程中实则是在反复碰壁中度日的，手中有无数条改进的思路，设计出难以计数的分子，最终全部折戟，甚至都不值一写。数百个小时的试错最终整理起来也不过是这么一张图，属实有一种悲壮的感觉。

为了降低环氧开环步骤的能垒，最终采用了分子内策略。分子内策略还有一个好处：注意到中间体3，对分子间反应，随着C-C键旋转，它有可能形成四元环P-O中间体而消除Me3PO导致不希望的副反应，而分子内反应中这条副反应途径被堵死了。在这里设计出了3个带有分子内膦的NHC分子（1B2-1B4）。这部分反应要想成功进行，还必须能克服另一个副反应：分子内膦与NHC自身结合并与苯甲醛加成，随后经由膦氧中间体生成不希望的Wittig产物7。因此以下检查了这三个分子的相应势能面：

很不幸地，分子1B2的竞争性Wittig过程比希望的反应路径更快（对醛加成是决速步），而显然1B3中更短的侧链带来的桥环骨架的张力封堵住了不希望的副反应。1B4同样是预期的形式OAT反应比副反应更快，只不过表观能垒比1B3稍高。至此，通过这部分设计，我们得到了两个有望用于与醛发生形式OAT生成膦叶立德的候选分子。

CO2和NHC的形式OAT

NHC与二氧化碳形成双极离子和环形两种加和物的现象也早被人知。首先以化合物1A4为模型，以9的能量为指标（不用8是因为并非所有亲核试剂都存在对应的8）筛选了一系列亲核试剂，发现酚氧负离子，咪唑负离子和2,4-二羟基吡啶单负离子是比较有希望的。通过分子内氢键、金属离子来稳定9虽然有成效但并不显著，加上为了避免处理质子转移或溶剂合金属离子的麻烦，接下来只考虑非质子溶剂中的情形，并且不引入金属。

接下来照样使用分子内策略，这次以8的能量作为指标（上图数据的格式为气相/THF/乙腈），可以筛选掉大部分设计出来的分子，唯独1A7ea, 1A15, 1A16 表现较好（1A15少画了一个甲基，新版已修改），因此用于进一步研究。

与苯甲醛的反应类似，这部分也需要同时考虑两个resting state 11和12的存在，当它们能量足够低时，期望的反应就会被严重阻碍。好在对于上述三个分子，这些resting state都不成威胁（这是由于1A15和1A16要形成这几个resting state则必将形成四元环）。至于期望的路径，1A7ea显然能垒过高，而1A15的表观能垒为27.7 kcal/mol（THF溶剂），仍然无法被室温反应的目标所容许。

然而注意到1A15的表观能垒对溶剂化特别敏感。总体上这类反应的能垒随着溶剂极性增大都是上升的，这是由于溶剂化稳定了双极离子1CO2,而1A15参与的反应对溶剂的敏感程度则在众多检查的NHC中也是较高的。相比于THF中27.7 kcal/mol，气相下其能垒仅14.3 kcal/mol，而甲苯中则是21.8 kcal/mol。因此我们有理由推测，在低极性溶剂中，上述NHC促进的室温CO2转化是有希望的。而这一反应中NHC被转化为了脲，如果能串联一个酰胺还原系统，随后消除水分子，便能实现NHC的再生，催化CO2还原不是梦（虽然显然要将这些条件迥异的反应组合到一起是极为困难的）。

总结而言，在这篇工作中，Rita设计了一类NHC参与的形式OAT反应，使得能够将醛转化为磷叶立德，或是将CO2转化为CO。对Rita来说这不过是一个花一个月时间玩玩的小工作，不过也算是弥补了去年冬天三重态NHC止步于中间体稳定性问题的遗憾。

DOI: 10.26434/chemrxiv.13256831.v1