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西班牙加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）Marcos G. Suero博士课题组一直致力于新型碳原子中间体的催化生成以及反应活性研究。该课题组开创性地制备了一类基于高价碘骨架的重氮甲基化试剂，通过光氧化还原活化，在温和条件下生成重氮甲基自由基RN2C·，作为一价电中性卡拜中间体（R-Ċ:）等价物，实现了富电子芳烃的重氮甲基化，后续对新引入的重氮基团进一步衍生化，最终模块化引入含有特定官能团取代的碳原子（Nature 2018, 554, 86）。近日，该课题组通过过渡金属催化选择性活化卡拜前体试剂中的重氮基团，生成了带有高离去性三价碘基团的金属-卡宾物种，作为金属-卡拜中间体R≡M的等价物。该活性物种兼具卡宾（R2C:）和碳正离子（R3C+）的双重反应活性，能够与简单烯烃中的碳碳双键发生环丙烷化-开环反应，生成烯丙基正离子，其后续被亲核试剂捕捉而得到富含官能团的烯丙基化合物，形式上实现了惰性碳碳双键的切断以及单碳原子的引入，高效快速地完成了对原分子骨架的重新构建（图1）。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.9b08632）。 
图1. 催化生成铑-卡拜中间体等价物实现碳碳双键的切断 （图片来源：J. Am. Chem. Soc.） 
课题组合影 
MarcosG. Suero博士 加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）地处美丽的旅游小城塔拉戈纳（Tarragona），距离巴塞罗那约100公里（一小时火车）。ICIQ是一个高度国际化，世界一流的化学研究所，每年所里发表顶级期刊论文大概40篇左右。 Marcos G. Suero博士课题组成立于2014年10月，课题组长Suero博士是一位非常nice的年轻化学家，在剑桥、哈佛等著名学府有过求学经历。他对于课题的把握十分精准到位，对于课题进行过程中遇到的问题能够给予十分有效的指导。课题组成立不到5年，已经在Nature, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表多篇论文，在碳原子中间体化学领域颇有建树。现在课题组成员共3人，1名中国博后，2名西班牙博士。目前课题组正在发展扩充中，希望和更多的国内学者一起申请博士（CSC博士联培或者攻读博士学位）或者博士后项目（CSC博士后访问学者项目或者玛丽居里奖学金）。Suero博士具有非常强的化学前沿掌控能力和申请书撰写能力，对申请人能够给予全面的proposal撰写指导（课题组目前的中国博后即是玛丽居里学者），希望对此感兴趣的申请人可与他联系。另外，对特别优秀者，通过相应考核后也可提供全额奖学金。 Suero博士联系邮箱：mgsuero@iciq.es 课题组主页：
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新型铑-卡拜中间体引发简单烯烃碳碳双键断裂反应 “碳”元素是有机化学的基础元素，研究各种碳原子活性中间体的生成、转化、稳定性及各种影响因素，对于理解和发展新颖的有机化学反应具有重要的意义。通常碳原子可与四个不同的原子结合而达到稳定的四价结构，如果四价的碳原子其中的一根或者两根键发生断裂，则会生成一系列以碳原子为中心的活性中间体，主要有三价的正碳离子（R3C+）、负碳离子（R3C-）、碳自由基（R3C·）和二价的卡宾（R2C:），与之相对应的是活泼有机金属中间体R-M和金属卡宾R=M。这些含碳活性中间体是很多有机化学反应在进行过程中需要经历的阶段，围绕这些活性中间体的研究构成了目前整个有机碳化学的基础，然而对于一价卡拜（carbyne）类碳中间体（R-Ċ:）和金属卡拜R≡M活性物种的研究却远远滞后。Marcos G. Suero博士课题组通过过渡金属催化剂选择性活化卡拜前体试剂中的重氮基团，生成了带有高离去性三价碘基团的金属-卡宾物种，作为金属-卡拜中间体R≡M的等价物。该物种与简单烯烃中的碳碳双键发生环丙烷化-开环反应，生成烯丙基正离子，其后续被亲核试剂捕捉而得到富含官能团的烯丙基化合物（图2）。
图2. 推测的反应机理 （图片来源：J. Am. Chem. Soc.） 研究人员使用环已烯作为标准底物进行了一系列的条件筛选和优化（图3）。他们将之前所发展的类环状（pseudo-cyclic）卡拜前体试剂2a溶于二氯甲烷中，并使用蠕动泵缓慢加入到含有5当量环己烯和1 mol%辛酸铑的二氯甲烷溶液中，整个滴加过程反应液使用冷浴维持在零下50度，之后加入3当量的四丁基溴化铵作为亲核试剂，核磁显示七元环烯丙基溴目标产物的产率为17%。随后作者发现具有更大位阻的铑催化剂（金刚烷酸铑和DuBois催化剂Rh2(esp)2）能够显著提高目标产物产率，同时伴随有10%左右的消除副产物生成。卡拜前体试剂方面，环状（cyclic）以及线性（linear）骨架的卡拜前体试剂反应性较差，而将反离子由OTf变为PF6之后，能以76%的核磁产率得到目标产物。其他亲核试剂如四丁基溴化磷和三甲基硅基溴均未给出更优的反应结果。
图3. 主要反应条件筛选 （图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
在确定最优反应条件之后，研究人员以环己烯为烯烃底物，对不同类型的亲核试剂进行了反应性考察，实现了一系列碳-杂原子键例如碳-溴（6a），碳-氟（6b），碳-氧（6c-6f），碳-硫（6g）和碳-氮（6h-6k）键的构建（图4）。此外，各类型碳亲核试剂也能顺利发生反应，生成新的碳-碳键（6l-6r）。值得一提的是，在这样的一系列化学转化过程中，在环己烯底物碳碳双键断裂的基础上，新生成了一根碳碳单键和一根碳碳双键，而且在原有双键其中一个sp2杂化的碳原子上生成了一个消旋的手性中心，极大地增加了原料分子的复杂性。
图4. 各类型亲核试剂扩展
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
接下来研究人员考察了烯烃底物的适用范围（图5）。乙烯作为一种产量巨大且应用范围很广的化工原料，使用该方法能够顺利转化为附加值很高的烯丙基溴产物6s。该过程中包含了环丙烷中间体8的生成、开环和后续的亲核性溴原子进攻。除了乙烯以外，其他常见的化工原料例如丙烯、1-丁烯、1-己烯和苯乙烯均能够顺利发生反应，以很高的区域选择性和立体选择性得到目标烯丙基溴化物（6t-6w）。研究人员认为其区域选择性是由烯丙基正离子中间体11的两个反应位点（α和α’）不同的立体位阻决定的,亲核试剂倾向于进攻立体位阻小的α位，得到线性取代产物（linear products）。此外，由于生成的环丙烷中间体10中，烯烃取代基R和三价碘基团倾向于处于顺式，使得接下来通过对旋开环所得的中间体11中，R和酯基（CO2Et）处于反式，因而生成产物中双键的构型以Z式为主（Woodward-Hoffmann-Depuy规则）。该反应和经验规则同样适用于1,2-二取代的烯烃，如反式2-丁烯以及β-甲基苯乙烯，以优异的区域和立体选择性得到目标产物。7元、8元以及12元环状烯烃也能够顺利发生反应，得到单一碳原子插入的烯丙基溴产物（6z-6ab）。此外，当采用1,1-二取代烯烃作为原料时，反应能够生成在合成领域具有相当挑战性的四取代烯烃化合物，显示了该方法潜在的应用前景。
图5. 烯烃底物适用范围考察 （图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
当烯烃底物兼具亲核反应位点时，能够发生分子内的碳碳双键插入-亲核进攻关环串联反应（图6），得到一系列杂环化合物（14-18），该系列反应同样经历了相应的烯丙基碳正离子中间体（19-22）。
图6. 分子内碳碳双键断裂-关环反应 （图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
最后，研究人员尝试通过实验证实图2中所推测的关键中间体4的生成，进而验证之前提出的反应机理。他们将乙烯气体在低温下与含有长链取代基的金属-卡拜中间体反应，首次分离得到了在室温下稳定存在的烷基高价碘化合物23，并由单晶衍射确定了其结构。后续的控制实验表明，该化合物确实能够被亲核性四丁基溴化铵捕捉，生成目标烯丙基溴产物，从而证实了整个反应机理（图7）。
图7. 控制实验 （图片来源：J. Am. Chem. Soc.） 总结：西班牙加泰罗尼亚化学研究所Suero博士课题组基于其之前所发展的一类新颖的卡拜前体试剂，通过金属催化活化生成金属-卡拜中间体，通过环丙烷化-开环的串联反应引发碳碳双键断裂以及单碳原子的插入，将价廉量广的烯烃原料高效转化为具有重要应用价值的烯丙基化合物，实现了分子骨架层面的定点编辑。该研究方法学在惰性碳碳键活化以及烯丙基化学领域实现了新的突破，为合成化学提供了新的思路和工具。
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