N-杂环卡宾自由基阳离子在自由基转化中是相关的中间体吗？

N-杂环卡宾自由基阳离子在大多数NHC促进的自由基反应中不可能是主要中间体，实验和理论计算表明其极不稳定，易发生重排或与溶剂反应生成稳定产物。

　　

N-Heterocyclic carbene（NHC）自由基阳离子作为中间体在自由基催化反应中的关键作用一直是科学界关注的焦点。然而，这类物种的缺失直接观察和难以捉摸的物理化学性质使其长期处于争议状态。本研究通过系统性的实验与理论计算，深入探讨了NHC自由基阳离子的存在形式、稳定性及其在反应中的作用机制，揭示了传统认知中存在重大偏差的结论。### 研究背景与核心问题

自20世纪90年代NHC的稳定化发现以来，这类化合物因其独特的配位能力和反应活性，在有机合成领域展现出重要价值。近年来，自由基NHC催化体系的发展推动了对其自由基阳离子中间体（1?·）的探索。然而，该物种的缺失直接观测和间接证据的薄弱性导致学界对其真实存在性产生质疑。本研究旨在通过多维度实验与理论分析，明确NHC自由基阳离子的实际存在形式及其在催化中的角色。### 关键发现与机制解析

#### 1. NHC自由基阳离子的热力学稳定性评估

通过计算化学与实验表征相结合的方法，研究发现传统NHC自由基阳离子（如1a-1e?·）的稳定性极低。基于氢原子转移反应的自由基稳定性能量（RSE）指标显示，这些物种的RSE值普遍低于-20 kcal/mol，甚至部分达到-32 kcal/mol，与甲基自由基（-7.5 kcal/mol）相比具有更强的反应性。值得注意的是，引入电子富集基团（如bis(dimethylamino)乙烯基和氧allyl结构）可显著提升1f?·和1g?·的稳定性，其RSE值分别达到-9.4 kcal/mol和+8.3 kcal/mol，表明电子效应在调控自由基稳定性中的关键作用。#### 2. 直接观测尝试与结构异变

实验团队通过循环伏安法（CV）和电子顺磁共振（EPR）技术系统排查了多种NHC自由基阳离子的直接观测可能性：

- **氧化还原特性**：在THF溶剂体系中，NHC 1f的CV曲线显示不可逆氧化波峰，表明其快速转化为稳定的亚胺盐1f·H?，而非预期的1f?·。该现象与理论计算的H原子迁移路径高度吻合，显示1f?·在生成后迅速经历C-H迁移形成异构体4f?·和5f?·。

- **电子富集NHC的突破性观测**：针对1g?·的EPR信号检测，发现其真实产物为氧allyl自由基阳离子3?·。该异变过程涉及1g?·的C-H插入反应，生成具有更高稳定性的3?·，其NMR和EPR特征与理论模拟完全一致。

- **低温条件下的自由基捕获**：在-70°C的极低温环境下，通过EPR监测发现1g?·的短暂存在，但该物种在室温下因快速异变而无法稳定检测。#### 3. 二聚阳离子作为自由基源的可能性

研究重点转向NHC二聚阳离子（22?）的分解机制：

- **几何结构影响**：通过X射线晶体学证实，2e2?的平面构型（两个NHC单元以S键连接，并保持共轭体系）使其具有显著更高的电负性（还原电位-0.06 V vs. SCE）。相比之下，2a′2?和2h′2?因空间位阻导致分子结构扭曲，削弱了电子亲和能力。

- **溶剂效应与Lewis碱介入**：在DMAP等Lewis碱存在下，2e2?通过异裂解离生成1e·H?和2e?·，后者立即捕获溶剂氢原子形成稳定亚胺盐。计算显示，溶剂效应使2e2?的异裂活化能降低约28 kcal/mol，而同裂解离需吸收139 kcal/mol能量，证实异裂为主流路径。

- **催化反应中的替代路径**：在亚胺环化反应中，2e2?表现出高效催化活性（95%转化率），其作用机制被揭示为通过捕获底物自由基（6·Br?）形成稳定的氧allyl自由基阳离子中间体，而非传统认知的1e?·的直接参与。### 理论计算的核心启示

DFT计算揭示了NHC自由基阳离子的关键特性：

- **电子效应与空间位阻的博弈**：电子富集的1g?·因氧allyl结构的π共轭体系获得额外稳定性（ΔG = -17.5 kcal/mol），而传统NHC自由基阳离子（1a-1f?·）因sp2杂化碳中心的孤对电子缺失导致热力学不稳定。

- **H原子迁移的普适性**：所有非电子富集NHC自由基阳离子均倾向于通过C-H迁移重排生成更稳定的benzylic自由基（5?·），其活化能普遍低于5 kcal/mol，表明此类迁移具有显著动力学优势。

- **二聚体分解的能垒控制**：2e2?的异裂路径活化能为14 kcal/mol，显著低于同裂解离的20 kcal/mol，说明溶剂中的配位作用能有效促进异裂解离。### 对催化机制的重新诠释

研究颠覆了传统自由基催化模型：

1. **中间体假象**：实验证实NHC自由基阳离子（1?·）在多数反应中并不作为稳定中间体存在，其短暂寿命（纳秒级）无法被常规光谱技术捕获。

2. **替代自由基路径**：实际反应中，二聚体（22?）通过异裂解离生成自由基阳离子（2e?·），后者通过配位稳定作用促进底物（如6·Br?）的电子转移，形成链式反应网络。

3. **电子富集结构的特殊地位**：1g?·和2e2?因独特的电子结构（氧allyl的离域π系统）表现出异常稳定性，为设计新型稳定自由基阳离子催化剂提供了理论依据。### 应用前景与未来方向

研究结论对实际催化体系设计具有重要指导意义：

- **催化剂筛选**：建议优先选用电子富集NHCs（如1g）或特定二聚体（如2e2?）作为自由基催化剂，因其可生成更稳定的活性中间体。

- **检测技术革新**：开发低温EPR联用技术（如液氦温度EPR）或时间分辨光谱学，可能实现NHC自由基阳离子的直接观测。

- **新型稳定自由基设计**：基于1g?·的结构特征，可尝试将氧allyl基团引入其他NHC体系，构建具有离域π键的稳定自由基阳离子。### 结论

本研究系统论证了传统认知中NHC自由基阳离子的不真实性：在绝大多数自由基反应体系中，1?·的短暂存在被快速异变或溶剂捕获过程所掩盖。取而代之的是二聚体（22?）的异裂解离产生活性更高的氧allyl自由基阳离子（3?·）或其他结构异构体。这一发现不仅修正了现有自由基催化机理，更为开发新一代稳定自由基催化剂提供了关键理论支撑。