Chem封面、Douglas W. Stephan教授以及受阻路易斯酸碱对

今天的故事要从1923年讲起。那一年Gilbert N. Lewis发展了化学界最著名的理论之一：酸碱电子理论（electron-pair theory of acid-base reactions），明确指出凡是可以接受外来电子对的分子、基团或离子为酸（Lewis酸），而可以提供电子对的分子、基团或离子为碱（Lewis碱）。随后经历了近一个世纪的时间，人们认为Lewis酸碱混合会形成相对稳定的酸碱加合物，从而淬灭其作为酸碱的化学性质。

直到2006年，时任加拿大温莎大学（University of Windsor）化学系教授的Douglas W. Stephan发现化合物[p-(Mes₂P)C₆F₄(B(C₆F₅)₂]可以有效可逆地对氢气进行活化（Science, 2006, 314, 1124，图2）。该化合物同时具有裸露的Lewis酸碱中心（B和P原子），但由于空间位阻的影响，Lewis酸碱中心无法配位形成加合物。一年之后，Stephan教授提出了“受阻路易斯酸碱对（Frustrated Lewis Pair，FLP）”的概念（Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 4968）。如今FLP经过十年发展，应用从简单的小分子活化扩展到有机分子催化和材料科学等领域。

图1. Douglas W. Stephan教授。图片来源：University of Toronto

图2. 首例FLP对氢气的可逆活化。图片来源：Science

图3. FLP对小分子的活化

2008年起，Stephan教授转任加拿大多伦多大学化学系教授，现任英国皇家化学会旗下Chemical Society Reviews的主编，对FLP化学的发展做出了杰出的贡献，并应邀在Science、JACS 和ACIE 等顶级期刊上撰写综述类文章（例如：Science, 2016, 354, aaf7229; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10018; Angew. Chem., Int. Ed., 2010, 49, 46）。

下面笔者将主要介绍近期Stephan教授研究组对FLP小分子活化机理的重要突破，相关成果以封面文章的形式发表在Chem上。

图4. Stephan教授研究组的封面论文。图片来源：Chem

十几年以来，大量的实验和理论研究推测FLP对小分子的活化会经历“遭遇络合物（Encounter Complex）”（图5）。在遭遇络合物的“极化口袋”里，小分子X₂首先会被Lewis酸碱分子形成的静电场极化，随后Lewis酸接受X-X之间的电子对σ，Lewis碱的电子对进攻X-X的反键轨道，“推拉式”地导致X-X键异裂。这一反应路径对设计合成一系列新型的FLP起到了至关重要的指导作用。

图5. 双电子FLP的小分子活化机理。图片来源：Chem

然而，Stephan教授研究组发现，将大位阻的Lewis碱Mes₃P和Lewis酸E(C₆F₅)₃（E = B, Al）混合溶解在非常干燥的甲苯或氯苯中，会观察到明显的紫色。尽管核磁共振波谱表征仅可以检测到Mes₃P和E(C₆F₅)₃ （E = B, Al）以及微量的含氟分解产物（¹⁹F NMR扫描300次），但是顺磁共振波谱研究表明在Mes₃P/Al(C₆F₅)₃的氯苯溶液中出现明显的[Mes₃P•⁺]自由基阳离子信号。作者推测[^-•Al(C₆F₅)₃]十分活泼，可能会和溶剂分子等物种发生反应，因而无法检测。

图6. Mes₃P/E(C₆F₅)₃体系的单电子转移现象。图片来源：Chem

基于以上实验结果，作者提出了FLP体系的单电子转移机理（图7）。在FLP体系中，电子从富电子的Lewis碱转移至缺电子的Lewis酸，首先形成高反应活性的受阻自由基对（frustrated radical pair，FRP），而FRP会产生比FLP更强的静电场，致使小分子X₂在受阻自由基对的“极化口袋”中充分极化。随后单电子“推拉式”地均裂X-X键。至此，FLP中单电子转移机理被首次提出。

图7. 单电子FLP小分子活化机理。图片来源：Chem

值得注意的是，作者在研究tBu₃P/E(C₆F₅)₃ （E = B, Al）体系时，未能观察到单电子转移的现象，意味着两种FLP的体系（(tBu₃P/E(C₆F₅)₃和Mes₃P/E(C₆F₅)₃)）在小分子活化的过程中很可能经历不同的反应路径。

为了证明上述观点，作者首先对tBu₃P/E(C₆F₅)₃ （E = B, Al）体系进行研究（图8）。FLP tBu₃P/E(C₆F₅)₃（E = B, Al）与四氯对苯醌（p-O₂C₆Cl₄）发生快速反应，生成相应的两性离子加合物1和2。整个反应过程仅可以观察到溶液呈浅黄色。另外，tBu₃P/E(C₆F₅)₃体系可以导致三苯基锡烷中Sn-H化学键发生异裂，生成盐3和4。这一系列的实验结果支持该反应经历了传统的双电子反应机理（图5）。

图8. tBu₃P/E(C₆F₅)₃ （E = B, Al）和四氯对苯醌以及三苯基锡烷的反应以及化合物1和4的晶体结构。图片来源：Chem

虽然Mes₃P/E(C₆F₅)₃ （E = B, Al）和四氯对苯醌发生反应生成类似的产物8和9（图9），但是整个反应可以明显地观察到溶液颜色由深紫色逐渐变为淡黄色。顺磁共振、紫外-可见吸收光谱和自由基捕获实验均证明反应中间体为自由基物种5和6。中间体5和6的生成充分证明了Mes₃P/E(C₆F₅)₃体系中经历了单电子转移过程。

图9. Mes₃P/E(C₆F₅)₃ （E = B, Al）和四氯对苯醌以及三苯基锡烷的反应。图片来源：Chem

进一步的研究表明，和tBu₃P/E(C₆F₅)₃对Sn-H键异裂不同，从Mes₃P/E(C₆F₅)₃衍生的[Mes₃P•][•Al(C₆F₅)₃]受阻自由基离子对均裂Sn-H键，生成化合物10和11以及Ph₃SnSnPh₃（图9）。上述结果证实Mes₃P/E(C₆F₅)₃体系对小分子的活化机理为单电子转移过程。另外，早期研究发现R₃P/E(C₆F₅)₃ （R = tBu, Mes; E = B, Al）均可以对H₂进行活化，产生盐[R₃PH][HE(C₆F₅)₃]（E = B）或[R₃PH][H(E(C₆F₅)₃)₂]（E = Al）。然而Stephan教授研究组的最新研究结果显示两种不同FLP体系的活化途径很可能不同。

笔者相信这项研究成果会提高化学家对FLP反应活性的理解，从而指导新型FLP体系的发展。

Stephan教授的研究领域除了FLP，还涉及路易斯酸催化和金属有机化学等领域，在发展不同主族化合物路易斯酸催化方面也做出了杰出的工作，其代表作有将常见的Lewis碱性的磷(III)转化为Lewis酸性的磷(V)（Science, 2013, 341, 1374）。

在同期Chem 上，英国布里斯托大学化学院的Duncan F. Wass教授为本文撰写评述（Chem, 2017, 3, 198），高度评价了受阻路易斯酸碱对中单电子转移的机理。

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）：

A Radical Mechanism for Frustrated Lewis Pair Reactivity

Chem, 2017, 3, 198, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.05.022

Douglas W. Stephan教授研究组主页

http://www.chem.utoronto.ca/staff/DSTEPHAN/index.htm

（本文由chemliu供稿）