高分子化学启发的Cu-MHAT反应
2024年7月1日，北京大学化学与分子工程学院朱戎研究员团队在Nature Catalysis期刊上发表了一篇题为“Mimicking hydrogen-atom-transfer-like reactivity in copper-catalysed olefin hydrofunctionalization”的研究成果。
该成果报道了一种非传统价态铜氢物种参与的氢原子转移反应。论文通讯作者是朱戎；第一作者是王俊杰。
过渡金属催化反应的发展对高分子合成产生了深远的影响。另一方面，高分子合成研究也为许多新反应机制的探索带来了启发。例如，在钴介导的自由基聚合中，一种催化链转移机制涉及到钴(III)氢物种的生成，及其向烯烃的氢原子转移（Co-MHAT），有趣的是，该过程现在广泛应用于小分子烯烃的马氏选择性氢官能团化反应中。那么在另一种经典的自由基聚合反应ATRP中，是否会有类似的链转移过程呢？前人的DFT计算显示，Cu(I)很难攫取自由基的beta氢原子生成Cu(II)−H，这一正向反应是极其困难的。
北京大学朱戎课题组受此启发提出，上述过程的逆反应恰恰对应着一种新的MHAT体系：即Cux−H（非传统价态铜氢物种，其中x可能为2）向烯烃进行氢原子转移将是动力学和热力学均十分有利的过程（Cu-MHAT，图1）。该过程生成的自由基随后被Cu(II)捕获，可实现与各类杂/碳原子亲核试剂的偶联。非传统价态铜氢物种（Cux−H）的反应显示了与传统Cu(I)−H催化截然不同的化学选择性、区域选择性、配体依赖性。该反应的实现为具有重要合成价值的催化MHAT反应提供了一种全新体系。
图1：Cu-MHAT实现烯烃的官能团化：背景与设计。
在条件筛选中值得注意的是，联喹啉配体（L5）十分关键，而使用Cu(I)−H体系中常用的磷配体则会完全抑制反应（图2a）。作者随后对烯烃底物适用范围进行了考察（图2b）。一系列取代的苯乙烯型底物均能以良好的产率获得氢官能团化的产物。普通单烷基取代烯烃作为底物时，与Cu(I)−H体系得到反马氏氢官能团化产物（17b）相反，该文条件完全得到了马氏氢官能团化产物（17a），这有力地支持了非传统价态铜氢物种的参与。
图2：条件优化、烯烃的适用范围以及与经典金属氢体系的对比。
该反应适用的亲核试剂范围非常广，酚类、一级和二级醇类、芳胺类、氮杂环甚至是无机的氯离子都可以成功应用于该反应中，且同时表现出与Cu(I)−H体系不同的官能团兼容性（如羰基）（图3）。
图3：铜催化自由基氢官能团化的底物范围。
接下来，作者对机理进行了探索（图4）。氘代实验表明反应经历了Cux–D物种对烯烃的活化，且捕获实验结果不支持烷基铜(I)中间体的生成。另一方面，向硅烷-铜-联喹啉体系中加入氧化剂O1，可以观察到氢气的释放；作者推测其可能来自于高价铜氢物种的分解。
图4：机理研究。
作者提出该反应的机理如下：高价铜氢物种首先与烯烃发生MHAT，得到自由基中间体，其中高价铜氢物种中的铜大于1价；自由基中间体再在铜的参与下被亲核试剂捕获（图5a）。使用手性配体可实现不对称偶联（图5d），利用产生的自由基也可以引发丙烯酸酯单体的聚合（图5e）。DFT计算显示，相比传统的Cu(I)−H（易发生离子型反应），二价铜氢B中Cu−H键能显著削弱，仅为16.5 kcal/mol，与文献中MHAT物种H−Fe(acac)2计算值接近；B的氢原子所带负电荷也更少，这是其独特MHAT反应性的来源（图5b）。计算也显示Cu(II)−H与烯烃反应的过渡态表现出明显的氢原子转移而非氢负离子转移的特性（图5b）。
图5：机理假设、DFT计算以及拓展。
该工作提供了一种全新的MHAT反应体系，为非经典价态的金属氢物种的催化应用带来了新的机遇。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-024-01182-9
