上海有機(jī)所發(fā)現(xiàn)過渡態(tài)后分岔新反應(yīng)類型
中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)所有機(jī)先進(jìn)氟氮材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室薛小松課題組（https://www.x-mol.com/groups/xue_xiaosong）近日在J. Am. Chem. Soc.上在線發(fā)表了題為“Ambimodal (2 + 1)/(4 + 1) Pseudopericyclic Transition States in Reactions between Dihalocarbenes and Olefins”的研究論文（J. Am. Chem. Soc. 2026, https://doi.org/10.1021/jacs.5c13906），并被選為內(nèi)封面。該研究在過渡態(tài)后分岔（post-transition state bifurcation, PTSB）領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了二鹵卡賓與雙烯的類周環(huán)反應(yīng)中存在兩可過渡態(tài)（ambimodal transition state）（注：“兩可”過渡態(tài)一詞最先由北京大學(xué)余志祥教授從ambimodal transition state翻譯而來），即單一過渡態(tài)可分流生成(2 + 1)與(4 + 1)兩類產(chǎn)物，并揭示了熵中間體及鹵素取代效應(yīng)在調(diào)控勢(shì)能面分岔選擇性中的關(guān)鍵作用。
在傳統(tǒng)過渡態(tài)理論框架下，反應(yīng)選擇性通常由不同反應(yīng)路徑對(duì)應(yīng)過渡態(tài)的相對(duì)能量差決定。然而，當(dāng)勢(shì)能面在過渡態(tài)之后發(fā)生分岔時(shí)，單一過渡態(tài)可沿不同反應(yīng)坐標(biāo)直接演化至多個(gè)產(chǎn)物，而無需經(jīng)過勢(shì)能面極小值（中間體）。此類反應(yīng)的選擇性不再由靜態(tài)能量控制，而呈現(xiàn)顯著的動(dòng)態(tài)學(xué)特征。因此，識(shí)別新的兩可過渡態(tài)體系并闡明其動(dòng)態(tài)學(xué)控制機(jī)制，對(duì)于深化反應(yīng)選擇性的本質(zhì)認(rèn)識(shí)具有重要意義。
卡賓與烯烴或炔烴的環(huán)加成反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中的經(jīng)典反應(yīng)類型，其中(2 + 1)加成最為常見。早在1985年，Herbert Mayr 教授等報(bào)道了二鹵卡賓與1,2-二亞甲基環(huán)烷烴反應(yīng)可同時(shí)生成(2 + 1)與(4 + 1)產(chǎn)物(Angew. Chem. Int. Ed.1985, 24, 579；Angew. Chem. Int. Ed.1985, 24, 585)，但不同鹵素取代導(dǎo)致的選擇性差異長(zhǎng)期缺乏明確機(jī)理解釋（圖1）。
圖1:?兩可過渡態(tài)的示意圖，卡賓與烯/炔的環(huán)加成，以及可能引發(fā)勢(shì)能面二分的軌道相互作用
本研究以二溴卡賓與1,2-二亞甲基環(huán)庚烷為模型體系，結(jié)合密度泛函理論計(jì)算與準(zhǔn)經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了控制反應(yīng)選擇性的兩可過渡態(tài)（圖2）。基于該過渡態(tài)開展的軌線計(jì)算所得產(chǎn)物分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，并在動(dòng)力學(xué)軌線中清晰觀察到反應(yīng)路徑的分岔行為。進(jìn)一步通過成鍵時(shí)間差（time-gap）分析與基于機(jī)器學(xué)習(xí)的熵路徑采樣（entropic path sampling, EPS）方法，揭示了熵中間體在增強(qiáng)勢(shì)能面分岔中的重要作用。軌道分析（IBO與PIO）表明，該兩可過渡態(tài)源于二溴卡賓σ孤對(duì)電子與雙烯LUMO在C2與C4位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)性相互作用?；诖?，研究進(jìn)一步闡明了不同二鹵卡賓在(4 + 1)產(chǎn)物形成中的選擇性差異及底物結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)路徑的影響。此外，研究團(tuán)隊(duì)還在親核性二甲氧基卡賓與α,β-不飽和羰基化合物的環(huán)加成反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了類似的兩可過渡態(tài)，該類反應(yīng)已在天然產(chǎn)物全合成中得到應(yīng)用。
圖2:?選取的模型反應(yīng)及其勢(shì)能面，軌線圖，以及對(duì)軌線的動(dòng)態(tài)學(xué)分析
綜上，該工作發(fā)現(xiàn)了一類新的兩可過渡態(tài)反應(yīng)模式，明確了軌道相互作用與熵中間體在勢(shì)能面分岔中的作用，為理解復(fù)雜反應(yīng)體系中的選擇性提供了新的視角。
該論文第一作者為上海有機(jī)所博士后王桐坤，通訊作者為薛小松研究員。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省及中國(guó)科學(xué)院的資助。作者同時(shí)感謝德國(guó)慕尼黑大學(xué)Herbert Mayr 教授、美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校 Kendall Houk 教授以及美國(guó)范德堡大學(xué)楊中悅教授在本研究中的寶貴建議與支持。
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