近日，清华大学基础分子科学中心（CBMS）焦雷副教授、郭兴伟副教授和罗三中教授合作报道了光氧化还原/手性伯胺协同催化体系中活性自由基中间体的直接观测和表征。这项工作通过郭兴伟课题组发展的超宽单边带相敏检测时间分辨EPR技术（U-PSD TREPR）首次直接观察到手性伯胺催化的β-酮酸酯烯丙基化反应中涉及的烯胺自由基阳离子和α-亚氨基自由基中间体，获得了它们的时间分辨EPR谱图和反应动力学信息。该项研究为烯胺参与的光氧化还原催化反应机制提供了直接的实验证据和深入的机理认知。
烯胺是氨基催化中的关键中间体。近年来化学家利用其氧化还原性质发展的单占据轨道活化（SOMO-activation）策略开发了多种以烯胺衍生的自由基为关键中间体的自由基反应。罗三中课题组发展了手性伯胺催化体系，采用手性伯胺开发了系列β-酮酸酯衍生物的不对称官能团化反应。这一体系与光氧化还原催化结合，可以实现光氧化还原/手性伯胺协同催化，完成了多种β-酮酸酯的不对称自由基官能团化反应。然而，在这些烯胺参与的自由基反应中，关键的自由基活性中间体尚未通过实验直接观察到，特别是它们的反应性也无法通过现有实验手段进行直接研究。最近，焦雷、郭兴伟和罗三中课题组合作，利用新发展的U-PSD TREPR谱仪，在反应条件下直接观察到了光氧化还原/手性伯胺协同催化体系中的关键自由基活性中间体。
作者以烯胺中间体和光敏剂[Ir(ppy)2(dtbbpy)]PF6的光诱导电子转移反应为模型，表征了其中生成的瞬态自由基物种（图1）。对于三种具有不同结构的烯胺自由基中间体，作者都观测到了清晰可解析的瞬态EPR谱图,并且可以通过它们的超精细裂分常数（HFSs）对其结构进行区分和鉴定。与其他时间分辨表征手段相比（例如瞬态吸收光谱和瞬态红外光谱等），U-PSD TREPR谱仪的最大优势在于可以明确指认自由基物种结构，首次为这些自由基的存在提供了直接证据。
该技术不仅可以观测到烯胺相关自由基的TREPR谱图，还可以观测到它们的动态转化过程。作者发现，烯胺自由基阳离子R1在不同浓度的4-二甲氨基吡啶（DMAP）存在下会体现裂分形式不同的TREPR谱图，可被归属为R1在DMAP存在下去质子生成R1a的过程。因此，利用不同配比的DMAP/DMAPH+的缓冲体系中自由基中间体R1的信号强度，即可通过拟合获得该自由基的pKa为16.5（图2）。通常情况下，这类高活性瞬态自由基中间体的热力学参数极难测量，U-PSD TREPR为此类研究提供了直接实验手段。
除提供热力学信息之外，该技术还可直接用于瞬态自由基中间体的动力学研究。作者发现反应体系中分别形成了烯胺自由基阳离子和由其去质子获得的α-亚氨基自由基两种关键中间体。然而，之前的研究无法指认哪一个中间体是反应的关键活性物种。作者以苯乙烯衍生物为反应物，使用U-PSD TREPR分别测定了两类中间体的双分子反应速率常数（图3）。结果表明，烯胺自由基阳离子中间体（R1）的反应速率比α-亚氨基自由基中间体（R3）快一个数量级，说明前者是光氧化还原/手性伯胺协同催化体系中的关键活性中间体，为复杂自由基反应体系的机理阐释提供了定量的直接实验证据。
综上所述，本工作基于U-PSD TREPR技术对瞬态烯胺自由基进行了表征和追踪，测定了烯胺自由基阳离子的pKa，通过动力学研究阐明了反应中的关键自由基物种。本研究为手性伯胺光氧化还原协同催化的反应机制和构效关系提供了直接的实验证据，并强调了质子转移在该体系中的重要作用。对瞬态自由基物种的直接观察为化学家们提供了更深入的见解，为自由基介导催化的合理设计提供了新思路。
该工作再次展现了U-PSD TREPR技术在自由基反应机理研究中的巨大潜力。通过这些成功的研究案例，我们有理由相信U-PSD TREPR技术必将改变自由基化学研究主要依赖于间接观测的现状，使基于直接观测的研究范式获得广泛的应用。
相关成果近期以Communications的形式发表在 CCS Chemistry，文章的第一作者是清华大学化学系在读博士生张释雪，程亮和戚鉴清，清华大学基础分子科学中心（CBMS）焦雷副教授，郭兴伟副教授和罗三中教授为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、清华大学笃实专项、海河可持续化学转化实验室与国家科技基础资源调查专项的资助 。
