摘要: 自由基化学近年来蓬勃发展，以其独特的反应性在合成化学领域得到了广泛的应用。与此同时，过渡金属催化的碳氢键活化转化反应也得到了化学界极大的关注。而将自由基策略运用到惰性的碳氢键活化中可以为合成带来新的机遇，同时也可以扩展化学反应空间... 展开 自由基化学近年来蓬勃发展，以其独特的反应性在合成化学领域得到了广泛的应用。与此同时，过渡金属催化的碳氢键活化转化反应也得到了化学界极大的关注。而将自由基策略运用到惰性的碳氢键活化中可以为合成带来新的机遇，同时也可以扩展化学反应空间。自由基与碳氢键活化的结合很可能创造新型的活化和成键模式，生成新的反应活性中间体，进而影响化学选择性和位置选择性。然而自由基独特的内在高反应性，对其产生、转化的控制带来了极大的挑战。详细的机理研究有望给这一机遇与挑战并存的领域带来新的生机。从这样的背景出发，本论文按照不同的自由基产生方式，运用理论计算与实验相结合的方式，探究了三类自由基参与过渡金属催化的碳氢键活化反应的详细机理图像，回答了关键的机理问题，解释了反应选择性成因，具体包括以下内容： 1. 电化学钴催化的碳氢键烷氧化反应机理研究 通过计算和实验相结合的研究方法，揭示了电化学钴催化的碳氢键烷氧化反应的机理。首先确定了酰胺基三价钴中间体的形成是通过电化学-化学（EC）过程实现的，我们对该酰胺基三价钴中间体进行了合成、表征、循环伏安和转化研究。酰胺基三价钴中间体会进 一步经历阳极氧化过程，生成形式四价钴中间体，这个四价钴中间体本质上是一个三价钴络合物，但其配位的杂原子上有额外的单电子分布。正是由于配位羧酸根的自由基性质使得形式四价钴中间体能够通过一种新型的羧酸辅助氢原子转移机制来断裂芳基碳氢键，这种碳氢键活化模式有别于传统的协同金属去质子化（CMD）机制，我们用物理化学的手段研究了该过程的线性自由能关系。本研究突显了电化学阳极氧化的特点以及电有机合成的潜力。 2. 钌催化碳氢键烷基化和芳基化位置选择性机理研究 钌催化σ 键活化辅助的间位碳氢键官能团化已成为构筑远程碳碳键的强大工具之一。然而由于机理研究较为少见，位置选择性来源和完整的反应路径都尚不明确。我们系统性地计算研究了一系列钌催化的碳氢键官能团化反应，反应底物包括一级、二级、三级烷基溴化物以及芳基溴化物。着重探索了碳氢键活化和碳碳成键过程，发现二价单元环钌络合物是催化活性物种，随后的球内单电子转移（ISET）活化了有机溴化物。位置选择性来源于闭壳层还原消除和开壳层自由基偶联之间的竞争。基于以上机制理解，我们进一步建立了一个多元线性回归模型来预测任意给定溴代物时反应的位置选择性，并通过甲基化与苄基化实验验证了该模型的准确性。 3. 光致钌催化双远程自由基接力的烷基化反应机理研究 由于钌催化σ 键活化辅助的远程碳氢键官能团化反应通常需要高温的反应条件，合成化学家想到用光源作为反应的能量来源。我们与德国Ackermann课题组合作，将该组的机理实验与我们的理论计算相结合，共同解释了光照对于钌催化σ键活化辅助的远程碳氢键烷基化的重要作用。计算和机理实验共同确定了反应中两次激发的物种，第一次激发使配体解离，反应活性中间体得以生成，第二次激发和后续的系间窜越过程使反应可以在三重态的势能面上进行，促进了自由基生成以及后续自由基进攻芳环的过程。 总的来说，本论文研究了三例反应过程中出现自由基的过渡金属催化的碳氢键活化转化典型反应机理，其中自由基分别参与了碳氢键的活化和成键过程，展现了自由基的特殊反应性与活性，为惰性键的活化及转化反应的发展提供了可以借鉴的理论辅助。 收起