Nelson与Houk团队Science：碳正离子新化学，乙烯阳离子的分子间C-H键活化

碳氢化合物（烃）是许多工业过程的核心，包括燃料制备、聚合物制造和原料化学品的合成。许多生物合成途径也涉及烃类反应，烃类还是外星大气、星云和其他空间区域的关键成分。简单或多环碳氢化合物的反应可能是导致更复杂分子结构和生命出现的生物转化过程之一。在7月27日Science 杂志361期第381页，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的Hosea M. Nelson教授（点击查看介绍）与K. N. Houk教授（点击查看介绍）等研究者报道了一种催化碳氢化合物反应的新方法，能实现其他方法很难实现的饱和烃化学转化。

Hosea M. Nelson教授（左）与K. N. Houk教授（右）。图片来源：UCLA

虽然在上世纪，在理解烃类化学和在合成反应中使用烃类方面取得了巨大的进展，然而对活性最小的烃类底物（即饱和烷烃和环烷烃）进行有用的化学转化仍具有相当大的挑战性。由于碳氢键较强和前线分子轨道的反应活性缺失，这些化合物具有相对较强的惰性。为了开发可利用饱和烃进行合成的新方法，化学家必须设计出能够攻击这些底物的C-C或C-H强键的活性试剂。而Nelson与Houk教授团队的此项工作在乙烯基阳离子的产生及其化学转化的研究中实现了这一目标。他们通过硅正离子（silylium）-弱配位阴离子（WCA）催化产生乙烯基阳离子，这种活性中间体可经历温和的分子间碳-碳键形成反应，包括非活化的sp³ C-H键的插入和芳烃的还原Friedel-Crafts反应。这种新型C-H键官能化反应很有潜力用于将难处理的烷烃高效地转化为有用的化合物。此外，为了深入理解这种不寻常转化的机理，研究团队进行了详细的理论计算研究，发现非经典碳正离子在反应过程中起着关键作用。该项工作的实验部分由Nelson教授及其博士生Stasik Popov等人完成；而理论计算主要由Houk教授以及吉林大学理论化学研究所的邹陆一（Luyi Zou）副教授、UCLA的研究生Tyler Benton、麻省理工学院杨中悦（Zhongyue Yang）博士完成。

图片来源：Science

Nelson教授及其研究生表示，虽然这种化学反应有效地将烷烃转化为一种化学上更有用的产品，但实验上无法解释反应如何发生以及为什么发生。所以他们和Houk教授等研究者联手探索其原因和机理。Houk教授及其合作者开发了一种通过分子动力学模拟来研究反应的全新方法，他们通过理论计算提供了反应势能面的信息，理解了烯基碳正离子稳定性的来源（迁移能垒高）；通过动力学机制的模拟，证明了非经典碳正离子的存在以及其在反应过程中的“分叉”特性。分叉效应的存在解释了实验中观察到的同位素效应，同时也进一步拓展了我们对于有机化学动态过程复杂性的认识。

Houk教授及其合作者用现代计算方法证明了这些物种在解释反应性和选择性方面的重要性，发现该反应涉及非经典碳正离子的形成。由于电荷是在多个原子之间共享的（非经典模型），因此分子具有更大的灵活性，可以经历各种各样的反应，包括那些需要打破烷烃强C-H键的反应。只有通过分子动力学来观察反应，也就是在反应发生时随着原子的运动，才能理解这些反应。

分子动力学模拟，在M062X/6311+G(d,p)理论水平下进行的计算。图片来源：Science

这项研究是一个令人惊讶的根本性发现，它引入了许多其他问题，这些反应的非经典性将使其能够打破化学合成的许多规则，开发新类型的反应。值得一提的是，非经典碳正离子的存在与否在过去的70年中一直是物理有机化学界的经典争论。此项研究的一项重要意义是展现出了对于经典机理的深刻理解如何能够帮助我们更好地驾驭C-H键活化这一重要的方法学问题，使得古老的碳正离子问题在今天众多的有机化学研究中依然可以大放异彩。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Teaching an old carbocation new tricks: Intermolecular C–H insertion reactions of vinyl cations

Science, 2018, 361, 381-387, DOI: 10.1126/science.aat5440

研究团队介绍

Hosea M. Nelson

http://www.x-mol.com/university/faculty/49958

K. N. Houk

http://www.x-mol.com/university/faculty/843

邹陆一，女，副教授，硕士生导师，2009年毕业于吉林大学获理学博士学位。从事重要化学过程微观机理的探索和新型光电材料的设计及发光原理的理论研究，已发表SCI论文60余篇。主持1项国家自然科学青年科学基金，1项国家自然科学基金面上项目子课题，1项吉林省科技厅面上项目，1项吉林省教育厅“十三五”科学技术研究规划项目，2项吉林大学校内基金；同时作为青年骨干参与国家自然科学基金面上项目5项。在2009年获吉林大学“精英杯”三等奖和吉林大学岗前培训“优秀教案”三等奖，2010年获高性能模拟理论与计算化学国际研讨会最佳海报二等奖，2013年获吉林省自然科学学术成果奖三等奖。

学习与工作经历：

2016/02-2017/03，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA），化学与生物化学学院，访问学者，导师：Kendall N. Houk教授。

2010/08-2012/08，中科院长春应用化学研究所，高分子物理与化学国家重点实验室，在职博士后，导师：程延祥研究员

2011/10-至今，吉林大学，理论化学研究所，副教授。

2009/07-2011/09，吉林大学，理论化学研究所，讲师。

2006/09-2009/06，吉林大学，理论化学研究所，博士，导师：任爱民教授。

2004/09-2006/06，吉林大学，理论化学研究所，硕士，导师：封继康教授。

代表论文：

1.Stasik Popov, Brian Shao, Alex L. Bagdasarian, Tyler R. Benton, Luyi Zou, Zhongyue Yang, K. N. Houk*, Hosea M. Nelson*, Science, 2018, 361, 381-389.

2.Yuannan Chen, Aimin Ren, Zhongyue Yang, Tengfei He, Xiaoli Ding, Hongxing Zhang, Luyi Zou*. Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20: 9419-9428.

3.Tengfei He, Aimin Ren, Shuming Chen, Zhongyue Yang, Peiyuan Yu, Yuannan Chen, Xiaoli Ding, Lu Shen, Hongxing Zhang, Luyi Zou*, Org. Electron., 2017, 45: 9-19.

4.Xiaoli Ding, Luyi Zou*, Mingshuo Ma, Hongxing Zhang, Yanxiang Cheng, Aimin Ren, Org. Electron., 2016, 31: 111-119.

5.Luyi Zou, Yanxiang Cheng, Yan Li, Hui Li, Hongxing Zhang, Aimin Ren*, Dalton Trans., 2014, 43(29): 11252-11259.

6.Zhongyue Yang¹, Luyi Zou¹, Yanmin Yu, Fengjiao Liu, Xiaofei Dong, Kendall N. Houk, Chem. Phys., doi.org/10.1016/j.chemphys.2018.02.020.

7.Luyi Zou, Mingshuo Ma, ZilongZhang, Hui Li, Yanxiang Cheng*, Aimin Ren*, Org. Electron, 2012, 13(11): 2627–2638.

8.Luyi Zou, Aimin Ren, Xueqin Ran, Xuefeng Ren*, Jikang Feng, Theor. Chem. Acc., 2011, 129(1): 63-71.

9.Luyi Zou, Zilong Zhang, Aimin Ren*, Xueqin Ran, Jikang Feng, Theor. Chem. Acc., 2010, 126(5-6): 361-369.

10.Luyi Zou, Aimin Ren*, Jikang Feng, Xueqin Ran, Yanling Liu, Chiachung Sun, Int. J. Quantum Chem., 2009, 109(7): 1419-1429.

11.Luyi Zou, Aimin Ren*, Jikang Feng, Xueqin Ran, J. Phys. Org. Chem., 2009, 22(11): 1104-1113.

12.Luyi Zou, Aimin Ren*, Jikang Feng*, Yanling Liu, Xueqin Ran, Chiachung Sun, J. Phys. Chem. A, 2008, 112(47): 12172-12178.

13.Tongshun Wu, Luyi Zou, Dongxue Han*, Fenghua Li, Qixian Zhang, Li Niu, Green Chem., 2014, 16, 2142-2146.

14.Yan Li, Luyi Zou, Aimin Ren*, Mingshuo Ma, Jianxun Fan, Chem. Eur. J., 2014, 20(16): 4671-4680.

15.Xiankai Chen, Luyi Zou, Jingfu Guo, Aimin Ren*, J. Mater. Chem., 2012, 22(13): 6471–6484.

16.Mingshuo Ma, Luyi Zou, Yan Li, Aimin Ren*, Jikang Feng, Org. Electron, 2015, 22: 180–190.

17.Li Zhang, Luyi Zou, Jingfu Guo, Jikang Feng, Aimin Ren, Dyes Pigments. 2017, 138: 213-222.

18.Li Zhang, Luyi Zou, Jingfu Guo, Aimin Ren, New J. Chem., 2016, 40: 4899-4910.

19.Chun Zhang, Luyi Zou, Dan Wang, Li Zhang, Aimin Ren*, J. Photoch. Photobio. A: Chem., 2017, 332: 440-452.

20.Zuosheng Li, Luyi Zou, Chungang Min, Aimin Ren*, J. Photoch. Photobio. B: Biology, 2013, 127: 94–99.

杨中悦博士，本科毕业于南开大学化学院伯苓班，于2013年进入加州大学洛杉矶分校师从K. N. Houk 教授。博士期间发展了环境微扰过渡态采样方案用以凝聚相准经典轨线模拟，并应用该方案理解许多溶液相与酶促反应过程。现为麻省理工学院化工系Heather Kulik教授组博士后，主攻生物化学体系的多尺度模拟。

1. Zhongyue Yang*, Rimsha Mehmood*, Mengyi Wang, Helena W. Qi, Adam H. Steeves, Heather Kulik. ChemRxiv Preprint. doi.org/10.26434/chemrxiv.7130795.v1 (2018) (*co-first author)

2. Zhongyue Yang*, Song Yang*, Peiyuan Yu*, Yanwei Li*, Charles Doubleday, Jiyong Park, Ashay Patel, Byung-sun Jeon, William K. Russell, Hung-wen Liu, David H. Russell, and K. N. Houk, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 115, E848-855 (2018). (*co-first author)

3. Zhongyue Yang and K. N. Houk, Chem. Eur. J., 24, 3916-3924 (2018).

4. Zhongyue Yang*, Xiaofei Dong*, Yanmin Yu, Peiyuan Yu, Yingzi Li, Cooper Jamieson, and K. N. Houk, J. Am. Chem. Soc., 140, 3061-3067 (2018). (*co-first author)

5. Zhongyue Yang, Peiyuan Yu, and K. N. Houk, J. Am. Chem. Soc., 138, 4237-4242 (2016).

6. Zhongyue Yang, Charles Doubleday, and K. N. Houk, J. Chem. Theory Comput., 11, 5605-5612 (2015).

7. Zhongyue Yang*, Luyi Zou*,Yanmin Yu, Fengjiao Liu, Xiaofei Dong, Kendall N. Houk, Chem. Phys., doi.org/10.1016/j.chemphys.2018.02.020. (*co-first author)

8. Peiyuan Yu*, Zhongyue Yang*, Yong Liang, Xin Hong, Yanwei Li, and K. N. Houk, J, Am. Chem. Soc., 138, 8247-8252 (2016). (*co-first author)

9. Fengjiao Liu*, Zhongyue Yang*, Ye Mei, and K. N. Houk, J. Phys. Chem. B, 120, 6250-6254 (2016). (*co-first author)

10. Matthew N. Grayson*, Zhongyue Yang*, and K. N. Houk, J. Am. Chem. Soc., 139, 7717-7720 (2017). (*co-first author)

11. Wenjun Wang*, Zhongyue Yang*, Yun Xu, Taibao Liu, Tianbang Song, Yunyan Zhao, Xiufang Xu, Wei Zhao, Peng George Wang, RSC Advances, 5, 38577-38580 (2015). (*co-first author)