銅催化的偶聯反應是現代有機化學構建碳-碳鍵與碳-雜原子鍵的最重要和最古老反應之一。而銅催化反應的發展一度落后于在其之后發現的鈀催化偶聯反應。其中，重要的原因之一是銅催化反應機理復雜，阻礙了科學家對銅催化劑的理性思考和設計。一般認為，銅催化反應過程中一價銅與親電底物氧化加成生成三價銅中間體是該催化循環的決速步。然而，由于高價態的金屬絡合物往往不穩定，很難被分離鑒定。因此，相關機理研究頗具挑戰性且存在爭議。近日，中國科學院上海有機化學研究所研究員沈其龍、薛小松，聯合美國加利福尼亞大學伯克利分校教授John F. Hartwig，在低價銅至高價銅的氧化加成過程的機理研究方面取得重要進展。9月8日，相關研究成果以Oxidative addition of an alkyl halide to form a stable Cu(III) product為題，在線發表在《科學》(Science，DOI：10.1126/science.adg9232)上。
 

　　利用三氟甲基可以穩定銅-碳鍵的特性，沈其龍課題組發現可以實現對催化反應中氧化加成/還原消除兩個基元反應的能壘的調控，因而利用兩種結構確定的三氟甲基一價銅配合物與鹵代乙腈反應，在室溫下實現了一價銅至三價銅的氧化加成過程。其中，氧化加成過程中生成的四配位離子型和五配位中性的三價銅絡合物均被分離表征，而這類絡合物此前被認為是銅催化偶聯反應中的關鍵中間體。在此基礎上，沈其龍課題組研究了該基元反應的動力學，并與薛小松課題組合作對該基元反應的可能途徑進行了理論計算。實驗和計算化學共同支持離子型和中性一價銅物種經歷了不同的反應路徑：離子型一價銅的氧化加成反應經歷了主要為SN2類型、次要為鹵原子轉移(XAT)的混合反應途徑；而中性一價銅物種則通過XAT路徑，經由二價銅中間體生成三價銅產物。
 

　　沈其龍課題組觀測到聯吡啶配位的中性一價銅物種具有高于離子型一價銅物種的反應活性，這印證了銅介導烷基親電試劑的炔基化、胺化等反應中的配體加速效應。鑒于氧化加成往往被認為是銅催化反應的限速步驟，剖析配體對該過程速率的影響有助于設計更加高效的催化體系。
 

　　論文的第一完成單位是上海有機所。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金委員會與香港研究資助局聯合科研資助基金的支持。
 

銅(I)與烷基鹵化物氧化加成反應機理以及銅(III)氧化加成絡合物結構