自由基-極性交叉是自由基化學中的經典概念，它指的是自由基物種可通過單電子轉移過程轉化成極性物種。借助自由基-極性交叉，許多自由基反應可以同時利用自由基物種和極性物種的反應特性，實現新型化學鍵的構建。比如用于碳碳鍵構建的Nozaki?Hiyama?Kishi（NHK）反應，即鉻催化醛與烷基親電試劑的偶聯反應（圖1a），其核心步驟就是碳中心自由基通過與二價鉻物種的結合實現自由基-極性交叉，生成關鍵的三價烷基鉻物種，隨后與羰基發生極性插入，構建新的碳碳鍵。
圖1 自由基-極性交叉模式與自由基緩沖成鍵模式 近日，武漢大學戚孝天教授與德國明斯特大學Frank Glorius教授合作，提出了一種新型的自由基成鍵方式——自由基緩沖成鍵模式（radical buffering）。理論計算研究表明，當自由基物種具備足夠的穩定性和親核性時，NHK反應中的三價烷基鉻物種更傾向于發生碳-鉻鍵的均裂，重新生成游離自由基，最后通過自由基對鉻-羰基絡合物的親核加成構建新的碳碳鍵（圖1b）。該過程中自由基與金屬催化劑的相互作用類似于緩沖溶液，自由基可以被金屬中心穩定，也可以通過碳-金屬鍵的均裂再生，高效的完成后續反應。 圖2 自由基緩沖成鍵模式普適性研究 作者從自由基穩定性、親核性和位阻效應等角度出發，系統論證了自由基緩沖成鍵模式的合理性和普適性（圖2）。該模式不僅適用于位阻較大的二級和三級烷基自由基，還適用于穩定性較強的一級α-N自由基和芐基自由基。其余的一級烷基自由基、強親電的芐基自由基和α-π自由基均傾向傳統的自由基-極性交叉模式。鉻碳鍵的BDE和自由基的親電親核性可以作為判斷兩種機理之間切換的標準。作者根據計算結果設計了驗證性實驗，通過不同自由基反應速率的差異證明了理論計算預測的自由基活性順序，驗證了自由基緩沖成鍵模式的合理性。 圖3 驗證性實驗 最后，作者根據自由基緩沖成鍵模式中金屬羰基耦合自由基加成的特點，建立了反應立體選擇性控制模型：醛與鉻和手性配體的氮原子共平面，自由基從平面上方進攻羰基碳，配體與自由基之間的相互作用主導了立體選擇性控制。該工作建立了一個與自由基-極性交叉機理正交的成鍵模式，為自由基反應開辟了全新的研究方向。 圖4 理論預測自由基緩沖成鍵模式的立體選擇性控制模型
論文信息 Mechanism Switch Between Radical-Polar Crossover and Radical Buffering Minghao Xu, Yan-Bo Li, Huamin Wang, Frank Glorius, Xiaotian Qi Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202500522
