铜催化的偶联反应是现代有机化学构建碳-碳键与碳-杂原子键的最重要和最古老反应之一。然而铜催化反应的发展一度落后于在其之后发现的钯催化偶联反应，其中一个重要的原因是铜催化反应机理复杂，阻碍了科学家们对铜催化剂的理性思考和设计。一般认为，铜催化反应过程中一价铜与亲电底物氧化加成生成三价铜中间体是该催化循环的决速步。然而，由于高价态的金属络合物往往不稳定，很难被分离鉴定。因此，相关机理研究十分具有挑战性且存在争议。近日，中国科学院上海有机化学研究所沈其龙研究员、薛小松研究员同加州大学伯克利分校John F. Hartwig教授合作，在低价铜至高价铜的氧化加成过程的机理研究方面取得重要进展，相关研究成果以《Oxidative addition of an alkyl halide to form a stable Cu(III) product》为题，于2023年9月8日在线发表于《科学》杂志（DOI：10.1126/science.adg9232），论文的第一完成单位是中国科学院上海有机化学研究所。      

　　在上述研究中，利用三氟甲基可以稳定铜-碳键的特性，沈其龙课题组发现可以实现对催化反应中氧化加成/还原消除两个基元反应的能垒的调控，因而利用两种结构确定的三氟甲基一价铜配合物与卤代乙腈反应，在室温下实现了一价铜至三价铜的氧化加成过程。其中，氧化加成过程中生成的四配位离子型和五配位中性的三价铜络合物均被分离表征，而这类络合物此前被认为是铜催化偶联反应中的关键中间体。在此基础上，沈其龙课题组详细研究了该基元反应的动力学，并与薛小松课题组合作对该基元反应的可能途径进行了理论计算。实验和计算化学共同支持离子型和中性一价铜物种经历了不同的反应路径：离子型一价铜的氧化加成反应经历了主要为S_N2类型、次要为卤原子转移（XAT）的混合反应途径；而中性一价铜物种则通过XAT路径，经由二价铜中间体生成三价铜产物。      

图 铜(I)与烷基卤化物氧化加成反应机理及铜(III)氧化加成络合物结构

　　沈其龙课题组在此研究中观测到联吡啶配位的中性一价铜物种具有远高于离子型一价铜物种的反应活性，这一结果广泛用印证了铜介导烷基亲电试剂的炔基化、胺化等反应中的配体加速效应。鉴于氧化加成往往被认为是铜催化反应的限速步骤，理解配体对该过程速率的影响有助于设计更加高效的催化体系。      

　　该论文的共同第一作者为中国科学院上海有机化学研究所博士生罗永睿、研究助理李预立，沈其龙研究员、John F. Hartwig教授和薛小松研究员为共同通讯作者，分析测试中心吴剑博士提供了核磁共振测试方面的支持。该研究得到了科技部重点研发计划，基金委面上项目以及基金委与香港研究资助局联合科研资助基金的大力资助。