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重氮化合物是一类兼具高反应性和丰富应用价值的合成砌块，被广泛地应用于多种有机反应中。重氮化合物能够在过渡金属催化下形成金属卡宾中间体，进而发生多种类型的转化：环丙烷化反应、碳氢插入反应、杂原子-氢键插入反应以及环加成反应等。另外，重氮化合物还能通过环加成或亲电加成途径，形成多种有机含氮类化合物。
重氮化合物与烯烃的环丙烷化反应是一类著名的有机反应，化学家对这类反应的研究已经非常地深入。然而，重氮化合物直接对烯烃进行官能团化（非环丙烷参与的过程）的方法却鲜有报道。
在此背景下，德州大学圣安东尼奥分校的Michael P. Doyle教授和中山大学的邱晃副教授提出了这样一种可能的反应设计：首先，“X•”加成至重氮化合物上形成相应的重氮基自由基，随后氮气离去形成碳自由基，接着该自由基对烯烃的碳碳双键选择性加成得到另一新的碳自由基，最后被“Y•”有效捕捉得到终产物。基于对以上反应设计的尝试，本课题运用自由基介导策略，成功实现了重氮化合物对烯烃的两类双官能团化反应，分别是氢烷基化反应和烷基叠氮化反应。在这两类反应中，重氮化合物首先分别在光催化剂或铁催化剂作用下，通过PCET (proton-coupled electron transfer) 过程转化为相应的碳自由基；然后该自由基选择性加成至烯烃的碳碳双键上形成另一碳自由基，最后通过硫酚介导的HAT (hydrogen atom transfer) 过程得到烯烃的氢烷基化产物，或者通过铁催化循环得到烯烃的烷基叠氮化产物。反应具有条件温和、操作简单、高度官能团容忍性的优点。
烯烃与重氮化合物的反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
为了充分理解两类反应的机理，作者进行了一系列验证实验研究。首先，在加入自由基捕捉剂Tempo之后，两类反应均被完全抑制，而且在自由基钟实验中，α-环丙基苯乙烯在两类反应中都形成了相应的开环产物。这些结果都表明反应确实经历了自由基途径。其次，作者利用氘代实验研究了两类产物的氢来源问题。通过对氘代产物的分析，作者认为在反应体系中的活泼性质子是产物中氢的来源。另外，当以预制备的环丙烷化产物代替重氮化合物和烯烃，并在标准条件下进行反应的尝试时，均未能得到相应的目标产物，这表明两类反应均不经历环丙烷中间体。而对于氢烷基化反应来说，以α-叠氮基苯乙烯作为烯烃底物的机理实验充分表明，对甲苯硫酚参与的是第二个碳自由基的氢原子转移过程。
机制研究。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
基于之前的报道和机理实验的结果，作者提出了两类反应可能的过程，并对其相同和不同之处做了比较：首先，重氮化合物在光催化剂Ru(bpy)3Cl2•6H2O或Fe(OAc)2作用下，通过PCET过程形成相应的碳自由基；接着，碳自由基选择性地加成至多种类型的烯烃（包括芳基/烷基取代的烯烃、1，3-丁二烯）上，得到另一新的碳自由基；最后，通过硫酚介导的氢原子转移 (HAT) 过程得到相应的氢烷基化产物，或通过Fe(II)/Fe(III)催化循环得到相应的烷基叠氮化产物。
可能的反应机制。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上并被选为当期封面文章。其中，文章的第一作者为德州大学圣安东尼奥分校的苏永亮博士和中山大学的研究生刘耿鑫。
Radical-Mediated Strategies for the Functionalization of Alkenes with Diazo Compounds
Yong-liang Su, Geng-Xin Liu, Jun-Wen Liu, Linh Tram, Huang Qiu, Michael P Doyle
J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05183
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