化学系张韶光团队提出磷中心以单电子和双电子途径活化卤代烃新策略
清华新闻网11月7日电 近日，清华大学化学系张韶光副教授研究组在“过渡金属-主族元素”协同活化小分子领域取得重要进展。研究组首次证实以过渡金属作为配体时，磷中心在无光照、无外加氧化还原剂条件下识别不同结构卤代烃，实现“单电子/两电子”活化机理的选择性切换，为构建类过渡金属催化的主族元素多电子反应化学提供了新思路。
模拟过渡金属的主族元素催化体系是前沿基础研究。碳−卤键活化不仅是基础有机化学教科书上的经典内容，也是镍、铜、铁等过渡金属催化偶联反应的基元反应，包括单电子（1e，自由基）或双电子（2e，极性）两种常见途径。包括磷在内的多种主族元素正越来越多地作为过渡金属催化剂的替代物成为研究热点。然而，磷介导的单电子转移（SET）反应仍然罕见，并且单电子、双电子反应途径的切换本质上具有挑战性。这是由于磷元素自身缺乏能量可及的3d轨道，其氧化还原反应依赖于3s/3p价层电子轨道，生成磷中心自由基中间体通常需要强还原剂或光化学氧化条件，且控制其反应途径困难。
图1.主族元素磷模拟过渡金属活化化学键的多样反应性
张韶光研究组提出了一种策略：反转传统金属有机催化中“主族元素配体控制金属中心”概念，提出“金属基配体启发主族元素中心氧化还原反应途径”新策略，运用金属取代的磷杂环丙烷化合物1作为瞬态金属磷化物前体，实现了在同一磷中心的对四类碳-卤键各异的活化途径：对于苄基溴、烯丙基溴等C（sp3）–X键，主要通过SN2型双电子途径实现磷中心的氧化加成；对于全氟吡啶、三氯均三嗪等C（sp2）–X键，则通过SNAr型双电子途径实现活化；对于1,2-二卤代烷，发生E2型脱卤消除反应生成烯烃；对于含有弱键能碳–卤键的二苯基溴甲烷等底物，则切换至单电子自由基路径，发生还原偶联形成C–C键。结合中间体捕获分离、电化学、计算化学的机理研究揭示：过渡金属-磷之间的轨道耦合切换磷中心反应多样性的关键，调控闭壳层单重态1与开壳层单重态1OS选择性识别卤代烃底物，模拟了传统上仅限于过渡金属的氧化加成和自由基活化步骤。该发现被进一步应用于构建三个取代基均不同的膦烷：以一个无毒固体磷源（P）、两种不同的卤代烃亲电试剂（E）和一个亲核试剂（Nu）为反应物，通过“P+2E+Nu”模式，四步一锅法实现三个不同取代基膦（E¹E²NuP）的可控构筑。该策略避免了传统路线中需使用易燃有毒的PH₃或挥发性的PCl₃，提供了绿色、安全、高选择性的有机膦合成新路径。
图2.四种磷中心活化碳-卤键的单电子或双电子反应途径
研究成果以“磷中心的单电子和双电子碳卤化物键活化”（One- and Two-Electron Carbon–Halide Bond Activation at a Phosphorus Center）为题，于11月3日发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition），并被选为“热点论文”（Hot Paper）。
清华大学化学系2022级博士生李朝阳为论文第一作者，化学系副教授张韶光为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金重大研究计划培育项目、清华大学自主科研计划笃实专项、中国博士后基金会引进项目等的资助。
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