武漢大學(xué)戚孝天課題組深耕自由基化學(xué)研究，致力于通過理論計算探究自由基成鍵過程，揭示自由基成鍵特點和影響因素，特別是過渡金屬對成鍵機(jī)制和選擇性的調(diào)控作用，發(fā)展建立了包括自由基緩沖成鍵模式在內(nèi)的自由基成鍵新模型。圍繞鈷肟催化自由基的位點選擇性和化學(xué)選擇性偶聯(lián)，戚孝天課題組開展了一系列理論研究，并在此基礎(chǔ)上與清華大學(xué)羅三中教授、杭州師范大學(xué)張龍教授合作，通過對鈷肟-手性胺協(xié)同催化的自由基不對稱偶聯(lián)過程研究，提出了一種新型的非共價相互作用機(jī)制——動態(tài)氫鍵效應(yīng)（Dynamic hydrogen bonding）。該效應(yīng)描述了鈷肟-手性胺協(xié)同催化路徑上涉及到多次氫鍵類型的變化，包括分子內(nèi)氫鍵（intra-HB）和自由基與鈷肟之間的分子間氫鍵（inter-HB），這兩種氫鍵結(jié)構(gòu)可以通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程快速實現(xiàn)（圖1）。這表明在自由基反應(yīng)過程中，鈷肟與自由基之間的氫鍵相互作用會隨著反應(yīng)歷程進(jìn)行而發(fā)生動態(tài)變化，從而影響反應(yīng)選擇性的控制。

這項研究首次論證了動態(tài)氫鍵介導(dǎo)的鈷肟催化氫原子轉(zhuǎn)移（HAT）步驟為反應(yīng)對映選擇性決定步（圖1），而不是傳統(tǒng)意義上的Giese自由基加成。因為鈷肟與手性胺之間的動態(tài)氫鍵作用改變了自由基加成的機(jī)理，一方面降低了金屬-烯烴耦合自由基加成（MAC自由基加成）機(jī)制的能壘，使其優(yōu)于Giese自由基加成，另一方面使得MAC自由基加成變成了一個可逆過程，從而改變了反應(yīng)的對映選擇性決定模型。

為了深入理解動態(tài)氫鍵效應(yīng)對對映選擇性的調(diào)控作用，作者使用位阻-電子效應(yīng)定量拆分模型（QSED）對HAT過渡態(tài)進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，與(R)-HAT過渡態(tài)相比，(S)-HAT過渡態(tài)中鈷肟與自由基陽離子之間的相互作用較弱，尤以靜電相互作用差值最大（ΔΔE_elstat = 27.2 kcal/mol），這導(dǎo)致了(S)-HAT具有較高的能壘，從而確保了自由基偶聯(lián)的高對映選擇性（圖2）。這一定量研究也證明了鈷肟與自由基陽離子之間的相互作用是以靜電相互作用為主導(dǎo)的，即氫鍵作用主導(dǎo)對映選擇性調(diào)控。

該理論研究突出了非共價鍵相互作用對自由基活性和選擇性的關(guān)鍵調(diào)控作用，研究成果發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上，武漢大學(xué)為第一通訊單位。

Dynamic Hydrogen Bonding Tuned Enantioselectivity Control in Cobaloxime-Chiral Amine Cooperative Catalysis

Zhao Liu, Prof. Long Zhang, Prof. Sanzhong Luo, Prof. Xiaotian Qi

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202506268