烷氧自由基抽氢反应的理论计算研究：热力学和极性效应对反应性和选择性影响

自然界中最基本的反应机制之一是氢原子转移（HAT）反应，该反应中催化剂从底物中提取一个氢原子以生成一个新的自由基。在此基础上，新产生的自由基可进一步产生各种重要的反应。因此，HAT被广泛的应用于有机合成、工业化学以及生物化学等领域。对HAT反应过程机理的理解，实现对其反应性与选择性的预测和控制具有非常重要的理论意义及应用价值。

从20世纪30年代Evans和Polanyi的研究开始，根据自由基和底物的性质，人们在定量理解和预测这些HAT反应发生的速率方面取得了长足的进展。经典模型BEP关系、马库斯理论（或马库斯交叉关系）以及Shaik教授提出的共价键模型等对于HAT反应性与选择性的理解和预测具有一定的指导性。然而，到目前为止，研究人员还不能确定驱动HAT反应的全部因素。

为了进一步探索HAT反应的控制因素，实现对其反应性与选择性的解释与预测，上海工程技术大学刘凤娇博士与意大利罗马第二大学Massimo Bietti教授及加州大学洛杉矶分校K.N. Houk教授展开合作，报告了一项关于HAT的详细研究。该研究工作发表在Journal of the American Chemical Society 上发表，并被选为JACS Spotlights亮点文章 ^[1] 给予重点评论。研究聚焦于四个烷氧基自由基（甲氧基、叔丁氧基、三氯乙氧基和三氟乙氧基）——具有不同极性的重要反应中间体，他们使用量子力学密度泛函理论计算来探索碳氢化合物及其异取代化合物中各种碳氢键的HAT反应性，报告了热力学、极性和不饱和效应对反应性的影响。

图1. BEP关系示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

研究团队首先探索了经典的BEP关系和马库斯交叉关系对于所研究体系的适用性。研究发现：（1）随着C-Hs环境变的复杂，传统的BEP关系不再适用，“饱和”C-H与“不饱和”C-H倾向于两类BEP关系，“饱和”C-H的活化能垒对反应能更为敏感，这与团队前期的研究工作相一致，对应于马库斯理论则是“饱和”C-H与“不饱和”C-H具有不同的“内部能垒”。此外，烷氧自由基的电负性也会的BEP关系造成影响（图1）。（2）马库斯交叉关系系统性地高估了反应能垒，过渡态理论得到的势垒与马库斯交叉关系得到的势垒的线性关系较差，烷氧自由基的电负性对马库斯交叉关系的预测结果具有显著影响（图2）。

图2. 马库斯交叉关系 vs DFT计算。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图3. HAT反应性预测模型。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

最后，研究团队在Roberts和Steel以及Mayer等人的研究成果的基础上推导出了一个简单的方程式（如图3所示），可以预测接近实验结果的活化能，并对如何改变自由基的性质以在复杂底物的不同位置选择性地反应提供了定量的见解。此项工作对于绿色高效地设计基于HAT的反应有着十分重要的意义。

在该项工作中，上海工程技术大学刘凤娇博士为第一作者兼通讯作者，意大利罗马第二大学Massimo Bietti教授和加州大学洛杉矶分校K.N. Houk教授为共同通讯，上海工程技术大学为第一完成单位。该研究工作得到了上海市科学技术委员会“扬帆计划”（20YF1416000刘凤娇）和美国国家科学基金会（CHE-1764328 K.N.Houk）的支持。

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）：

Hydrogen Abstraction by Alkoxyl Radicals: Computational Studies of Thermodynamic and Polarity Effects on Reactivities and Selectivities

Fengjiao Liu*, Siqi Ma, Zeying Lu, Anjanay Nangia, Meng Duan, Yanmin Yu, Guochao Xu, Ye Mei, Massimo Bietti*, and K. N. Houk*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c00389

参考资料：

1. JACS spotlights研究亮点

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c03826 

刘凤娇博士简介

刘凤娇，上海工程技术大学化学化工学院讲师。2013年6月获四川大学理学学士学位；2018年6月获华东师范大学理学博士学位；2016年9月至2017年9月于加州大学洛杉矶分校联合培养；2018年8月至上海工程技术大学化学化工学院任职。主要研究方向为化学反应机理理论计算以及计算机辅助药物设计：1、碳氢活化反应性与选择性研究；2、溶剂化及酶催化反应的多尺度模拟；3、人工智能在反应设计中的应用；4、蛋白质大分子体系的多尺度模拟。主持的科研项目包括：上海工程技术大学科研启动项目，上海高校青年教师培养资助计划，上海市科学技术委员会“扬帆计划”（ 20YF1416000）。目前已在SCI发表论文共20余篇，包括J. Am. Chem. Soc.（IF=14.695），J. Org. Chem. (IF= 4.354) ACS Appl. Mater. Interfaces (IF=9.229)等重要期刊。

https://www.x-mol.com/university/faculty/63961