銅催化的偶聯(lián)反應(yīng)是現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)構(gòu)建碳-碳鍵與碳-雜原子鍵的最重要和最古老反應(yīng)之一。而銅催化反應(yīng)的發(fā)展一度落后于在其之后發(fā)現(xiàn)的鈀催化偶聯(lián)反應(yīng)。其中，重要的原因之一是銅催化反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，阻礙了科學(xué)家對(duì)銅催化劑的理性思考和設(shè)計(jì)。一般認(rèn)為，銅催化反應(yīng)過(guò)程中一價(jià)銅與親電底物氧化加成生成三價(jià)銅中間體是該催化循環(huán)的決速步。然而，由于高價(jià)態(tài)的金屬絡(luò)合物往往不穩(wěn)定，很難被分離鑒定。因此，相關(guān)機(jī)理研究頗具挑戰(zhàn)性且存在爭(zhēng)議。近日，中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所研究員沈其龍、薛小松，聯(lián)合美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校教授John F. Hartwig，在低價(jià)銅至高價(jià)銅的氧化加成過(guò)程的機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展。9月8日，相關(guān)研究成果以O(shè)xidative addition of an alkyl halide to form a stable Cu(III) product為題，在線發(fā)表在《科學(xué)》(Science，DOI：10.1126/science.adg9232)上。
 

　　利用三氟甲基可以穩(wěn)定銅-碳鍵的特性，沈其龍課題組發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)催化反應(yīng)中氧化加成/還原消除兩個(gè)基元反應(yīng)的能壘的調(diào)控，因而利用兩種結(jié)構(gòu)確定的三氟甲基一價(jià)銅配合物與鹵代乙腈反應(yīng)，在室溫下實(shí)現(xiàn)了一價(jià)銅至三價(jià)銅的氧化加成過(guò)程。其中，氧化加成過(guò)程中生成的四配位離子型和五配位中性的三價(jià)銅絡(luò)合物均被分離表征，而這類(lèi)絡(luò)合物此前被認(rèn)為是銅催化偶聯(lián)反應(yīng)中的關(guān)鍵中間體。在此基礎(chǔ)上，沈其龍課題組研究了該基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，并與薛小松課題組合作對(duì)該基元反應(yīng)的可能途徑進(jìn)行了理論計(jì)算。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算化學(xué)共同支持離子型和中性一價(jià)銅物種經(jīng)歷了不同的反應(yīng)路徑：離子型一價(jià)銅的氧化加成反應(yīng)經(jīng)歷了主要為SN2類(lèi)型、次要為鹵原子轉(zhuǎn)移(XAT)的混合反應(yīng)途徑；而中性一價(jià)銅物種則通過(guò)XAT路徑，經(jīng)由二價(jià)銅中間體生成三價(jià)銅產(chǎn)物。
 

　　沈其龍課題組觀測(cè)到聯(lián)吡啶配位的中性一價(jià)銅物種具有高于離子型一價(jià)銅物種的反應(yīng)活性，這印證了銅介導(dǎo)烷基親電試劑的炔基化、胺化等反應(yīng)中的配體加速效應(yīng)。鑒于氧化加成往往被認(rèn)為是銅催化反應(yīng)的限速步驟，剖析配體對(duì)該過(guò)程速率的影響有助于設(shè)計(jì)更加高效的催化體系。
 

　　論文的第一完成單位是上海有機(jī)所。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與香港研究資助局聯(lián)合科研資助基金的支持。
 

銅(I)與烷基鹵化物氧化加成反應(yīng)機(jī)理以及銅(III)氧化加成絡(luò)合物結(jié)構(gòu)