金属自由基催化引导新的钴基系统利用均裂自由基反应的独特特征

波士顿学院的一组研究人员展示了一种前所未有的催化方法，该方法能够同时控制烯烃中烯丙基碳氢键分子间胺化的多重收敛和选择性，这是一个有价值但具有挑战性的类别有机反应，该团队最近在《自然化学》杂志上报道。

这种新的催化过程允许将普通烯烃中的碳氢键选择性地转化为具有有用胺官能团的增值新烯烃。

烯烃是除碳氢键外还含有碳碳双键的碳氢化合物，在自然界中含量丰富且易于获取。它们通常用于制备许多其他具有不同结构和实际应用的化合物。烯烃是催化领域的主力分子，对寻求对科学进步至关重要的化学反应新模式的研究人员具有吸引力。

大多数催化方法都是针对烯烃中更具反应性的碳-碳双键而开发的。可以选择性地作用于反应性较低的碳氢键而不接触反应性较高的碳碳双键的催化系统不太常见，它的实现被认为是一个胜利。

主要作者和波士顿学院化学教授彼得张说，张的团队开发了一种催化方法，通过使用基于地球丰富且廉价的金属钴的催化剂进行单电子自由基反应来实现这一具有挑战性的转变。因此，该团队揭示的催化过程解决了精细化学品制造以及生物学、医学和材料相关应用中可持续性的重要问题。

大多数金属催化过程依赖于所谓的“极性反应”，其中化学反应一次涉及两个电子的变化。Zhang 指出，催化双电子极性反应通常需要使用稀有且昂贵的金属离子。

该团队提出了一种全新的方法来更好地控制与经典 Wohl-Ziegler 反应相关的高反应性自由基的不可预测行为。该反应涉及离域烯丙基自由基的产生，作为烯烃中烯丙基碳氢键功能化的关键中间体。然而，经典的有机自由基反应难以控制，通常会产生多种产物，张说。

在催化过程中一次发生一个电子变化的“金属自由基催化”(MRC) 的新兴概念的指导下，张和他的团队开发了一种新的钴基催化系统，该系统利用了均裂自由基反应的独特特征. 钴催化剂中心利用其未成对的电子优先破坏碳氢键而不是碳碳键以产生离域的烯丙基。张说，与经典的 Wohl-Ziegler 反应不同，这种烯丙基不再“游离”，而是与催化剂紧密缠绕在一起。结果，它可以形成新的碳-氮键，以高度可控和选择性的方式生产所需的胺产品。

通过采用模块化设计的高度对称手性氨基卟啉和可调谐口袋状环境作为支持配体，钴基金属自由基催化使团队能够开发一种新的自由基过程，用于烯丙基碳氢键的化学选择性分子间胺化，提供该团队报告说，在一次催化操作中，在多个方面具有高度选择性。

除了证明金属自由基催化在控制分子构建均裂自由基反应方面的基本原理和独特机会外，钴催化的收敛碳氢胺化还提供了一种实用且有吸引力的方法，可以直接使用合成有价值的手性 α-叔胺作为底物的烯烃的异构混合物。这项新技术可能会找到有用的应用，尤其是在制药行业。

张说，该团队惊讶地发现，最适合化学转化的催化剂竟然是该团队发明的 ChenPhyrin 催化剂家族中最简单的成员。

“展望未来，我们希望设计出下一代金属自由基催化剂，它可以作为强大的精密工具，从复杂分子中随意去除特定的氢原子，然后安装一个基于氮的官能团，”张说。

除了张，波士顿学院博士后潘旭、研究生谢晶晶和高级研究员王多胜共同撰写了题为“分子间自由基烯丙基 C−H 胺化并发控制的金属自由基方法”的报告。