【人物与科研】北京大学朱戎课题组：钴催化烯烃氢官能团化中的自由基极性交叉过程

针对经典HAT反应的局限，近日，北京大学化学与分子工程学院朱戎课题组提出经由烷基Co(III)中间体的自由基-极性交叉过程（Radical-Polar Crossover），实现了高效高官能团兼容性的分子间氢官能团化反应。相关研究成果发表于J. Am. Chem. Soc.（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 7250）。

北京大学化学与分子工程学院朱戎课题组成立于2018年3月，主要研究兴趣在发展新型过渡金属催化过程，精确构建有机功能小分子和聚合物，探索其电化学性质和光电响应功能。课题组诚邀青年才俊加盟（网站：http://www.chem.pku.edu.cn/rongzhu/index.htm）。

朱戎，特聘研究员。2010年本科毕业于北京大学，指导老师为杨震教授和陈家华教授。随后在麻省理工学院Stephen Buchwald教授指导下研究过渡金属催化的不对称自由基双官能团化反应，于2015年获得博士学位。2015-2018年在麻省理工学院Timothy Swager教授指导下进行功能聚合物和传感器方面的研究。2018年3月起，就职于北京大学化学学院开展独立研究。

朱戎特聘研究员在不对称自由基反应和化学传感器方面的工作得到了C&EN（美国化学化工新闻）等著名科技媒体的关注，曾入选ACS评选的“Top research of 2016”，并获得国家留学基金委优秀留学生奖励。

钴催化烯烃氢官能团化中的自由基

极性交叉过程

为了突破经典HAT氢官能团化反应的局限，在烷基Co(III)配合物化学的启发下，作者提出：利用自由基-极性交叉过程（Radical-Polar Crossover），为HAT中间体自由基提供具有一定普遍意义的新反应途径（图1）。

图1. 自由基-极性交叉分子间氢官能团化

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

图2. 模型反应研究

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

在完成了条件筛选的工作之后，作者分别考察了这一催化体系对于烯烃和亲核试剂的适用范围，并着重测试其官能团兼容性（部分示例见图3）。对于含对质子酸和Lewis酸催化条件不兼容的官能团的底物，氢酯化反应均获得了较好的产率。使用苯乙烯类、1,3-烯炔、乙烯基醚类作为底物时，产率同样较为理想。使用PhIO与一些酸性亲核试剂进行原位混合同样可以完成上述转化。作者发现对于一些潜在的氢原子受体如硝基、Michael受体、羰基等官能团，反应仍然得到了较好的产率，并没有观察到还原产物。当分子内存在对酸比较敏感的官能团（如Boc基团保护的胺类和TBS基团保护的酚类）时，反应均可以顺利进行，没有脱保护的产物生成。使用HNTs₂作为亲核试剂则可以实现磺酰胺类衍生物的合成。

图3. 部分底物范围示例

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于文献调研和动力学研究，课题组提出了如下图的催化循环（图4）：首先，Co−Nu和Co−H物种（12、13）形成；Co−H物种与烯烃发生HAT反应，得到的自由基15与烷基Co(III)配合物14处于平衡；Co−Nu物种12与烷基Co(III)配合物14很有可能经由决速的双金属过程，得到产物并重生Co(III)。

图4. 可能的催化循环

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

图5. 抑制烷基Co(III)配合物的生成

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

针对所提出烷基Co(III)配合物14在主反应中的重要角色，作者分别通过提高温度和增加自由基的空间位阻使得14的生成受阻（图5）。实验结果表明，当14生成受到抑制时，碳氧键形成的过程相应地受到明显抑制，而异构化过程开始占据主导，这进一步印证了机理假设。

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 7250），该论文作者为Xiao-Le Zhou, Fan Yang, Han-Li Sun, Yun-Nian Yin, Wei-Ting Ye, and Rong Zhu，其中周霄乐博士和博士研究生杨帆为共同第一作者。上述研究工作得到了北京大学和北京分子科学国家研究中心的资助。