【有机】郑州大学化学学院与澳大利亚国立大学化学研究学院合作JACS：中继的质子协同电子转移（Relayed-PCET）机制研究

近年来，在光、电和过渡金属催化条件下的自由基反应在合成化学领域是最热门的研究方向之一。这些自由基反应的出现虽然为化学学科的发展带来了新机遇，但也为人们理解其反应机制带来了挑战。需要注意的是，在无光、无电、无金属催化条件下的自由基反应新策略也逐渐引起了化学家们的注意。通过有机小分子催化，尤其是氮杂环卡宾（NHC）催化，是实现自由基生成和双自由基交叉偶联的一个理想途径。然而，NHC催化氧化单电子转移反应（SET）究竟是如何发生的仍然是不清楚的，所以深入地研究NHC催化剂如何介导单电子转移对于发展卡宾催化化学是至关重要的，且这些单电子转移反应模型与机制的探究对于研发自由基反应新策略是非常必要的。

近日，郑州大学化学学院与澳大利亚国立大学化学研究学院合作发现了中继的质子协同电子转移（Relayed Proton-Coupled Electron Transfer）机制，部分研究成果以题为“Diradical Generation via Relayed Proton-Coupled Electron Transfer”的论文发表在化学类顶级期刊Journal of the American Chemical Society（影响因子：15.42）上。郑州大学化学学院2019级博士研究生师迁迁为第一作者，魏东辉教授、Michelle L. Coote教授和蓝宇教授为论文的共同通讯作者。在该工作中，作者提出并证实了中继的质子协同电子转移（Relayed-PCET）的双自由基生成新模型，为人们理解这类反应中双自由基究竟是如何产生的提供了理论依据。

如图1a所示，与标准的PCET模型不同的是，中继的PCET模型由两个闭壳的非自由基底物和通过氢键作用结合的碱（B）组成一个三组分系统，其中电子给体（D）转移一个电子到受体（A），同时将其质子转移到碱上。如图1b所示，底物（Sub）、碱（Base）、氧化剂（Ox）之间的中继PCET反应经过一个开壳单重态过渡态将产生两个自由基物种，该过程中电子从Sub到Ox转移的驱动力是质子从Sub到Ox的转移。随后，双自由基经过另一个开壳单重态过渡态经历双自由基偶联以构建新的C-C键。

图1.（a）标准PCET和中继的PCET之间的区别。（b）中继的PCET机制及其在自由基交叉偶联中的应用。这里[Sub]、[Ox]、碱（Base）对应于（a）中的D、A和B。

（来源：Journal of the American Chemical Society）

为了验证能量上最占优势的是中继的PCET路径，作者首先选择了一个NHC催化苯甲醛与NHPI酯的交叉偶联反应（图2，实验报道见文献J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 385）作为模型反应研究。图3所示为模型反应的中继的PCET途径的吉布斯自由能曲线。M2供体和受体R2之间的π…π堆积相互作用（~3.50 Å，图4）和它们与碱之间的氢键网络促进了三组分复合物M3的形成，这也促进了后续单电子转移所需的供体与受体之间的π轨道重叠。从M3通过中继的PCET途径经由开壳单重态过渡态^osTS3（ΔG^‡_relayed-PCET = 11.9 kcal/mol）产生双自由基²M4和²M5。另外，对于其它可能的分步先电子后质子转移和先质子后电子转移路径也进行了计算，最后证明该PCET途径是能量上最占优势的路径。最后，两个自由基中间体²M8和²M5的交叉偶联的通过开壳单重态过渡态^osTS6 (ΔG^‡ = 12.0 kcal/mol) 进行，此外，本论文还考虑并排除了两个²M5中间体之间的可能自偶联途径。

图2. 氮杂环卡宾催化苯甲醛与NHPI酯的交叉偶联反应模型

（来源：Journal of the American Chemical Society）

图3. 模型反应的中继的PCET途径的吉布斯自由能曲线图。蓝色和红色框中的内容分别代表中继的PCET和自由基-自由基交叉偶联过程。

（来源：Journal of the American Chemical Society）

图4. 优化的中间体M3和^osTS3的结构。黄色、蓝色、红色、灰色和白色球分别代表S、N、O、C和H原子

（来源：Journal of the American Chemical Society）

通过跟踪关键开壳单重态过渡态^osTS3和^osTS6的内稟反应坐标（IRC），他们进一步分析了自旋分布（Spin population）和前线分子轨道（FMO）分别在中继的PCET和双自由基偶联过程中的变化。图5a说明质子转移的同时伴随着一个单电子转移，证实了中继的PCET的合理性。图5b说明随着双自由基偶联的进行，双自由基的两个单电子逐渐配对成闭壳中间体。

图5.（a）跟踪开壳单重态过渡态^osTS3的IRC中所选M4和M5片段的自旋分布变化图。（b）跟踪开壳单重态过渡态^osTS6的IRC中所选M5和M8片段的自旋分布变化图。

（来源：Journal of the American Chemical Society）

如图6所示，在中继的PCET过程中，Breslow中间体的HOMO轨道的一对电子分裂为两个单电子，其中一个单电子保留在原来的HOMO中，因此a-HOMO形状与HOMO(Breslow)形状相似，而另一个电子则转移到氧化剂的β-HOMO上。从图6中编号原子的轨道重叠可以看出，单电子通过两部分之间的p轨道重叠从C1=C2的π成键轨道转移到了C6=O7的π*成键轨道，这与该过程发生后的键长变化是一致的。

图6. 跟踪开壳单重态过渡态^osTS3的IRC中FMO变化。这里Breslow中间体、氧化剂R2、碱HCO₃^-对应于图1a中的D、A和B。

（来源：Journal of the American Chemical Society）

另外，为了证明中继的PCET模型的普遍性，作者设计并从理论上研究了TEMPOH替换Breslow中间体与氧化剂R2、碱HCO₃^–的三组分中继的PCET模型。该中继的PCET过程可经由开壳单重态过渡态^osTSm (ΔG^‡ = 26.6 kcal/mol)形成两个自由基中间体TEMPO和²M4。图7中的FMO变化表明其中一个单电子转移也是通过电子供体（D）和受体（A）之间的p轨道重叠发生，而另一个单电子则保持在原来的分子轨道上。这些中继的PCET模型计算结果说明该机理可能在双自由基产生反应过程中是普遍存在的。

图7. 跟踪开壳单重态过渡态^osTSm的IRC中FMO变化。这里TEMPOH、氧化剂R2、碱HCO₃^-对应于图1a中的D、A和B。

（来源：Journal of the American Chemical Society）

总结：

该工作提出并验证了一种名为“中继的PCET”的双自由基生成机制，并通过反应路径跟踪发现电子给体（Donor）的一对电子可以在去质子化的同时分裂成两个单电子：一个继续保留在原来的分子轨道，另一个则会通过分子轨道重叠作用转移到氧化剂（即电子受体，Acceptor）上。自旋分布分析进一步证实了单电子转移在质子转移的同时发生，中继的PCET过程中由闭壳非自由基底物生成了双自由基，而FMO变化则显示了单电子转移的方向及其涉及到的电子结构变化。更多的模型研究证明：中继的PCET机制可能广泛地存在于双自由基反应体系。该理论研究工作不仅有助于人们理解双自由基产生的详细过程，还可为设计自由基反应新策略提供必要的理论依据。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。