采用烷基过氧化氢（ROOH）进行选择性烷烃氧化是常见的反应，但其反应机理仍未被充分阐明。如在铜催化C(sp3)－H键氧化中，是烷基过氧自由基（ROO•）还是烷基氧自由基（RO•）撅氢实现氢原子转移（HAT）？
图1 通过外循环多谱学在线分析系统（ECOMS）研究铜催化C(sp3)－H键氧化机理
近日，我系化学前瞻技术研究中心李浩然/王永涛团队基于前期搭建的外循环多谱学在线分析系统（External Circulation Online Multi-Spectroscopic System，ECOMS，Adv. Sci. 2024, 11, 2402890）回答上述问题（图1）。该系统的特点是在提供均相催化剂和反应中各物质（尤其是活性中间体）的电子自旋（电子顺磁共振波谱，EPR）、电子跃迁（紫外可见光谱，UV-vis）及分子结构（近红外光谱，near IR）信息的同时，进一步提供这些信息随时间的演化及它们之间的逻辑关系。传统在线仪器采用原位反应池加多探头，ECOMS受工业氧化反应釜经常采用外循环同时实现移热与混合的目的为启发，采用外循环实现多谱学监测。
该工作系统研究了以过氧化氢异丙苯（CHP）为氧化剂的苄位C(sp3)－H氧化反应的自由基机理。ECOMS能够在全反应过程中直接监测并定量分析CHP产生的过氧自由基CumylOO•，并实现该自由基物种与反应产物在同一时间坐标下的演化分析，进而明确了CumylOO•为实现HAT的关键自由基物种（图2）。
在此基础上，该工作进一步发现催化剂阴离子的碱性对反应速率具有显著影响（图3）。通过系统改变铜配合物中的阴离子（OTf⁻、BF₄⁻、Cl⁻、OAc⁻），发现阴离子碱性越强，体系中CumylOO•的稳态浓度越高，反应速率也随之显著提升。研究结果显示，催化剂阴离子对应的pKa值与反应速率之间呈现良好的线性关系，这一规律为ROO•参与 HAT 过程提供了有力的实验支持。同时，该碱性效应也解释了胍类助催化剂 TBD 在该反应中表现出的显著促进作用。
此外，该工作还结合密度泛函理论（DFT）计算，对反应中可能涉及的不同自由基反应路径进行了系统比较。计算结果表明，尽管烷基氧自由基RO•在热力学上具有更强的夺氢能力，但在该铜催化体系中，RO•更倾向于在金属中心附近与过氧化物ROOH发生反应，生成过氧自由基ROO•。随后，ROO•在溶液中实现对底物C(sp3)－H键的氢原子转移，从而成为真正执行 HAT 步骤的活性自由基（图4）。该机理很好地解释了实验中观察到的反应动力学行为。
该研究不仅明确了铜催化烷基过氧化氢氧化C(sp3)－H反应中真正参与氢原子转移的自由基物种，也展示了ECOMS在复杂自由基反应机理研究中的潜力。该系统还在发展中，欢迎感兴趣的课题组使用使其完善。
研究成果发表于Journal of the American Chemical Society，第一作者为博士生周宇嘉、王永涛副研究员，通讯作者为李浩然教授、王永涛副研究员。本研究得到国家重点研发计划（2022YFA1503200）、国家自然科学基金（22303079）和浙江大学化学分析测试平台的支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c01241
标题：
Which Radical Abstracts Hydrogen Atom? Alkylperoxy versus Alkoxy in Cu-Catalyzed Benzylic C–H Oxidation
作者：
Yujia Zhou, Yongtao Wang,* Xinyu Wang, Jianzhang Pan, Jia Yao, Haoran Li*
导师简介：
浙江大学化学系求是特聘教授，浙江省特级专家。现任中国化学会理事，浙江省化学会理事长。主要从事绿色化学、维生素及香料产业化研究，包括空气氧化反应的工艺、机理、动力学及其催化剂、反应器设计等，产业化相关成果获国家技术发明奖二等奖。
个人主页：
https://person.zju.edu.cn/0095075