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從烯烴出發(fā)經(jīng)由烷基自由基構(gòu)筑碳-雜原子鍵是一類重要的基本轉(zhuǎn)化過程。在這一背景下，第一過渡系金屬（如Mn、Fe、Co等）催化的氫官能團(tuán)化反應(yīng)，以其獨(dú)特的機(jī)理和與之相伴的選擇性，展現(xiàn)出巨大的研究價值和應(yīng)用潛力。此類反應(yīng)的機(jī)理中共同的關(guān)鍵步驟，在于金屬氫化物（LnM?H）與烯烴之間的氫原子轉(zhuǎn)移（Hydrogen Atom Transfer, HAT）過程——通過一步或分步的歷程，遵循馬氏區(qū)域選擇性得到烷基自由基中間體。從此自由基出發(fā)，再與各種親自由基試劑（SOMOphile）進(jìn)行反應(yīng)，包括原子轉(zhuǎn)移試劑、基團(tuán)轉(zhuǎn)移試劑和缺電子不飽和體系等，從而實(shí)現(xiàn)氫官能團(tuán)化。上述反應(yīng)在取得很大成功的同時，其發(fā)展瓶頸也十分明顯：1）適用的范圍主要局限在與親自由基試劑的反應(yīng)；2）自由基捕獲過程中的選擇性調(diào)控手段主要局限在底物控制。
針對經(jīng)典HAT反應(yīng)的局限，近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院朱戎課題組提出經(jīng)由烷基Co(III)中間體的自由基-極性交叉過程（Radical-Polar Crossover），實(shí)現(xiàn)了高效高官能團(tuán)兼容性的分子間氫官能團(tuán)化反應(yīng)。相關(guān)研究成果發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 7250）。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院朱戎課題組成立于2018年3月，主要研究興趣在發(fā)展新型過渡金屬催化過程，精確構(gòu)建有機(jī)功能小分子和聚合物，探索其電化學(xué)性質(zhì)和光電響應(yīng)功能。課題組誠邀青年才俊加盟（網(wǎng)站：http://www.chem.pku.edu.cn/rongzhu/index.htm）。
朱戎，特聘研究員。2010年本科畢業(yè)于北京大學(xué)，指導(dǎo)老師為楊震教授和陳家華教授。隨后在麻省理工學(xué)院Stephen Buchwald教授指導(dǎo)下研究過渡金屬催化的不對稱自由基雙官能團(tuán)化反應(yīng)，于2015年獲得博士學(xué)位。2015-2018年在麻省理工學(xué)院Timothy Swager教授指導(dǎo)下進(jìn)行功能聚合物和傳感器方面的研究。2018年3月起，就職于北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院開展獨(dú)立研究。
朱戎特聘研究員在不對稱自由基反應(yīng)和化學(xué)傳感器方面的工作得到了C&EN（美國化學(xué)化工新聞）等著名科技媒體的關(guān)注，曾入選ACS評選的“Top research of 2016”，并獲得國家留學(xué)基金委優(yōu)秀留學(xué)生獎勵。 鈷催化烯烴氫官能團(tuán)化中的自由基 極性交叉過程 為了突破經(jīng)典HAT氫官能團(tuán)化反應(yīng)的局限，在烷基Co(III)配合物化學(xué)的啟發(fā)下，作者提出：利用自由基-極性交叉過程（Radical-Polar Crossover），為HAT中間體自由基提供具有一定普遍意義的新反應(yīng)途徑（圖1）。
圖1. 自由基-極性交叉分子間氫官能團(tuán)化 （來源：J. Am. Chem. Soc.） 在模型反應(yīng)中，作者利用高價碘(III)試劑7作為雙電子基團(tuán)轉(zhuǎn)移氧化劑和親核試劑的前體，成功地誘導(dǎo)了分子間的氫官能團(tuán)化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了室溫下鄰碘苯甲酸對非活化烯烴形式上的加成（圖1）。作者還收集到了若干對機(jī)理有指示意義的動力學(xué)數(shù)據(jù)（圖2）。其中最關(guān)鍵的包括：1）誘導(dǎo)期后主反應(yīng)和競爭反應(yīng)均對底物和當(dāng)量試劑呈零級動力學(xué)；2）催化劑的反應(yīng)級數(shù)為2；3）烯烴異構(gòu)化來自于烷基自由基的逆HAT過程，該過程對催化劑的反應(yīng)級數(shù)為1；4）手性催化劑的光學(xué)純度對于反應(yīng)速率有一定影響，并可以觀察到微弱的立體選擇性。
圖2. 模型反應(yīng)研究 （來源：J. Am. Chem. Soc.） 在完成了條件篩選的工作之后，作者分別考察了這一催化體系對于烯烴和親核試劑的適用范圍，并著重測試其官能團(tuán)兼容性（部分示例見圖3）。對于含對質(zhì)子酸和Lewis酸催化條件不兼容的官能團(tuán)的底物，氫酯化反應(yīng)均獲得了較好的產(chǎn)率。使用苯乙烯類、1,3-烯炔、乙烯基醚類作為底物時，產(chǎn)率同樣較為理想。使用PhIO與一些酸性親核試劑進(jìn)行原位混合同樣可以完成上述轉(zhuǎn)化。作者發(fā)現(xiàn)對于一些潛在的氫原子受體如硝基、Michael受體、羰基等官能團(tuán)，反應(yīng)仍然得到了較好的產(chǎn)率，并沒有觀察到還原產(chǎn)物。當(dāng)分子內(nèi)存在對酸比較敏感的官能團(tuán)（如Boc基團(tuán)保護(hù)的胺類和TBS基團(tuán)保護(hù)的酚類）時，反應(yīng)均可以順利進(jìn)行，沒有脫保護(hù)的產(chǎn)物生成。使用HNTs2作為親核試劑則可以實(shí)現(xiàn)磺酰胺類衍生物的合成。
圖3. 部分底物范圍示例 （來源：J. Am. Chem. Soc.） 基于文獻(xiàn)調(diào)研和動力學(xué)研究，課題組提出了如下圖的催化循環(huán)（圖4）：首先，Co?Nu和Co?H物種（12、13）形成；Co?H物種與烯烴發(fā)生HAT反應(yīng)，得到的自由基15與烷基Co(III)配合物14處于平衡；Co?Nu物種12與烷基Co(III)配合物14很有可能經(jīng)由決速的雙金屬過程，得到產(chǎn)物并重生Co(III)。 
圖4. 可能的催化循環(huán) （來源：J. Am. Chem. Soc.） 
圖5. 抑制烷基Co(III)配合物的生成 （來源：J. Am. Chem. Soc.） 針對所提出烷基Co(III)配合物14在主反應(yīng)中的重要角色，作者分別通過提高溫度和增加自由基的空間位阻使得14的生成受阻（圖5）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)14生成受到抑制時，碳氧鍵形成的過程相應(yīng)地受到明顯抑制，而異構(gòu)化過程開始占據(jù)主導(dǎo)，這進(jìn)一步印證了機(jī)理假設(shè)。
這一成果近期發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 7250），該論文作者為Xiao-Le Zhou, Fan Yang, Han-Li Sun, Yun-Nian Yin, Wei-Ting Ye, and Rong Zhu，其中周霄樂博士和博士研究生楊帆為共同第一作者。上述研究工作得到了北京大學(xué)和北京分子科學(xué)國家研究中心的資助。 關(guān)于人物與科研 在科技元素在經(jīng)濟(jì)生活中日益受到重視的今天，中國迎來了“科學(xué)技術(shù)爆發(fā)的節(jié)點(diǎn)”。科技進(jìn)步的背后是無數(shù)科學(xué)家的耕耘。在化學(xué)領(lǐng)域，在追求創(chuàng)新驅(qū)動的大背景下，國際合作加強(qiáng)，學(xué)成歸國人員在研發(fā)領(lǐng)域的影響日益突出，國內(nèi)涌現(xiàn)出眾多非常優(yōu)秀的課題組。為此，CBG資訊采取1+X報(bào)道機(jī)制，CBG資訊、ChemBeanGo
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