南京大学谢劲团队在《Nature》发文：实现可切换调控的氯原子转移自由基反应

自然界中，颗粒性甲烷单加氧酶（pMMO）这类多核金属酶，依靠多金属协同效应与空间限域作用，能高选择性活化惰性C-H键。已有大量研究证实，双核币金属配合物凭借金属间距近、电子协同作用强的特点，可通过内层电子转移（ISET）高效实现C-X键活化。

受此启发，研究团队提出全新设计思路：经结构优化的双核铜催化剂，可利用底物与产物的空间位阻差异，破解ATR反应中长期存在的“选择性区分底物C-Cl键与产物C-Cl键”的难题。体系中C-Cl键重建的动力学势垒，将直接决定反应路径与最终产物分布。

此前Gregory C. Fu课题组已建立双铜接力催化范式：用铜-双膦配合物做光催化剂活化底物，铜-二胺配合物独立介导后续C-N偶联。谢劲团队借鉴该思路，引入单核铜助催化剂时，可大幅加速C(sp³)-Cl键重建，让反应定向生成ATRA产物；移除该单核铜组分后，C-Cl键生成速率放缓，自由基链增长占据主导，即可切换为铜介导的可控氯转移聚合反应。

图2. 接力催化设计

图3. 反应条件优化

图4. 反应机理研究

图5.原子转移自由基加成反应（ ATRA）的底物适用范围

图6. 双铜催化体系在有机合成中的应用

图7. 双铜催化体系在高分子合成与PVC改性中的应用

图8. 计算研究

该研究成功搭建可切换氯原子转移反应平台，解决了非活化有机氯化物参与ATR反应的长期难题。这套策略底物适用范围广，兼容大位阻叔氯代烃、桥头氯代烃，支持天然产物、药物骨架的后期修饰，还可通过溶剂调控实现C(sp³)-Cl与C(sp²)-Cl键的高选择性活化。

单独使用双核铜催化剂时，体系可直接以非活化烷基氯引发ATRP聚合，完成高分子α-端模块化修饰，也能对PVC塑料进行温和官能化改性。双核铜活化C-Cl键、单核铜调控C-Cl键重建的双催化剂设计，实现了两条反应路径的自由切换，有望为后续突破热力学与动力学纠缠瓶颈、开发更高效的原子经济性有机转化提供全新范式。

1. 攻克经典 ATR 反应的固有矛盾：选择性断裂底物 C-Cl、保留产物 C-Cl。

非活化烷基氯的C (sp³)-Cl键键能高、难还原；而反应生成的产物C-Cl键反而更弱，单催化体系很容易把产物的C-Cl也打断，造成副反应、无法可控转化。

本文用双核铜+单核铜接力催化的策略，依靠位阻畸变带来的选择性：双核铜优先活化底物烷基氯的强C-Cl键，而不容易活化产物上更弱的C-Cl键，从根源解决这个热力学、动力学纠缠的难题。

2. 反应路径可开关：同一催化体系，通过加或不加单核铜催化剂可使反应在 ATRA 和 ATRP 之间切换

简单改变催化剂组分，就能切换反应模式，是这套工作最标志性的创新。

3. 全新的接力催化机制：双核铜负责“断键”、单核铜负责“成键”

区别于传统单铜ATRP与普通光催化 ATRA，双核铜利用Cu-Cu金属间协同，通过内层电子转移ISET高效活化惰性C-Cl；单核铜作为氯转移媒介，大幅降低C-Cl重建能垒。