黄金并非钯的替代品：通过烯丙基脱质子-偶联（ADC）机制实现金催化的Heck型芳基化反应中的线性选择性

《Inorganic Chemistry》：Gold Is Not Palladium: Linear Selectivity in Gold-Catalyzed Heck-Type Arylation via an Allylic Deprotonation–Coupling (ADC) Mechanism

金催化烯烃芳基化反应通过allylic去质子化-偶联（ADC）机制实现线性选择性，与钯催化的经典Heck机制形成对比。DFT计算表明，Au(III)的强酸性使烯烃allylic质子易被OTf?夺取，生成稳定allyl-Au(III)中间体，经C–C偶联还原消除直接得到线性产物，而传统Heck机制中1,2-插入路径更优导致支链产物占优，与实验矛盾。金属差异（Au(III) vs Pd(II)）通过改变allylic质子酸性调控反应路径，揭示过渡金属氧化态与半径对催化机制的决定性影响。

　　金催化的烯烃芳基化反应在有机合成中具有重要意义，尤其在构建碳-碳键方面展现出独特的优势。近年来，Patil及其团队报道了一种罕见的金催化 Heck 型反应，该反应在特定条件下表现出对线性产物的专属选择性，而传统 Heck 反应通常会生成线性（β）和分支（α）两种产物。然而，他们并未提供关于为何分支产物被完全抑制的机制解释。这一研究空白促使我们通过密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨该反应的可能机制，并揭示其独特的反应路径。

Heck 反应是过渡金属催化中最为经典的碳-碳键形成方法之一，广泛应用于烯烃的芳基化反应。其反应机制通常包括氧化加成、烯烃配位、迁移插入、β-氢消除以及还原消除等步骤。在这一过程中，迁移插入的方向决定了产物的结构，而通常情况下，2,1-迁移插入会生成线性产物，而1,2-迁移插入则倾向于生成分支产物。因此，Heck 反应的区域选择性往往受到底物和催化剂环境的共同影响。然而，在Patil的研究中，所使用的金催化剂却能够实现对线性产物的完全选择性，这一现象在传统 Heck 机制中并未得到合理解释。因此，我们需要重新审视该反应的机制，并寻找可能的替代路径。

在本研究中，我们发现，如果该反应遵循经典的 Heck 机制，那么分支产物的形成将比线性产物更具热力学优势。这与实验中观察到的线性产物选择性形成了明显的矛盾。为了解释这一现象，我们提出了一个新的反应机制，即“烯基脱质子-偶联”（Allylic Deprotonation–Coupling, ADC）机制。该机制的核心在于，在金（III）催化体系中，烯烃在配位过程中发生早期的烯基脱质子反应，随后通过还原偶联形成最终产物。这一过程与传统的 Heck 机制存在显著差异，特别是在迁移插入和β-氢消除的顺序上。

在 ADC 机制中，烯烃与金（III）配位后，形成一个稳定的烯基-金（III）复合物。此时，一个强碱（如三氟甲磺酸根 OTf?）能够有效地脱去烯烃的烯基氢，生成一个稳定的烯基-金（III）中间体。这一脱质子过程的能垒相对较低，且在金（III）催化体系中表现出较高的反应活性。随后，该中间体通过还原偶联直接生成最终产物，而无需经历传统的迁移插入和β-氢消除步骤。这一机制的优势在于，其整体反应路径的能垒更低，且更符合实验中观察到的线性产物选择性。

相比之下，Budzelaar 等人曾提出另一种可能的机制，即“三氟甲磺酸根诱导的亲核攻击”机制。在这一机制中，三氟甲磺酸根（OTf?）作为亲核试剂，直接攻击烯烃的特定位置，从而形成中间体，最终通过还原偶联生成产物。然而，这一机制在实验中被质疑，因为当 OTf? 被更弱的亲核试剂（如六氟磷酸根 SbF?? 和四氟硼酸根 BF??）替代后，反应依然能够高效地生成相同产物，表明 OTf? 的作用可能并非决定性。通过 DFT 计算，我们进一步验证了这一机制的可行性，并发现其能量壁垒显著高于 ADC 机制，从而排除了其作为主要反应路径的可能性。

进一步的研究还揭示了金属中心在反应路径选择中的关键作用。在金（III）催化体系中，烯基氢的酸性显著增强，这使得脱质子反应成为反应的决定性步骤。而当金属中心从金（III）转变为钯（II）时，反应路径则回归到传统的 Heck 机制。这一转变不仅反映了金属中心对反应能垒的影响，也揭示了金属的电子特性在调控反应路径中的重要作用。金（III）的高氧化态和第三周期金属的特性使其能够更有效地稳定烯基负离子，从而促进脱质子反应的发生。而钯（II）由于其电子特性不同，更倾向于通过迁移插入和β-氢消除形成分支产物。

在 ADC 机制中，反应的每一步都表现出较低的能垒，尤其是在脱质子和还原偶联步骤。这不仅使得反应能够高效进行，还解释了为何在金催化体系中能够实现对线性产物的专属选择性。此外，通过比较不同金属催化体系的反应路径，我们还发现，金（III）与钯（II）在反应机理上的差异不仅仅是能量上的不同，更涉及到反应中间体的稳定性和反应路径的可控性。金（III）的高氧化态和强配位能力使其在脱质子过程中表现出更高的反应活性，而钯（II）则更倾向于通过传统的迁移插入机制形成产物。

为了进一步验证 ADC 机制的合理性，我们还计算了该机制下的动力学同位素效应（KIE）。结果表明，在金（III）催化体系中，脱质子反应的 KIE 值为 6.74，这一数值在 298 K 条件下具有显著的预测价值。KIE 的值反映了反应中氢键断裂的相对速率，因此较高的 KIE 值表明脱质子反应在 ADC 机制中占据主导地位。这一结果与实验数据一致，进一步支持了 ADC 机制的可行性。

综上所述，本研究通过 DFT 计算揭示了金催化烯烃芳基化反应的独特机制，即 ADC 机制。这一机制不仅能够解释实验中观察到的线性产物选择性，还为理解过渡金属催化的多样性提供了新的视角。同时，我们还发现，金属中心的选择对反应路径具有决定性影响，金（III）和钯（II）在催化过程中表现出截然不同的行为。这一发现不仅有助于优化金催化反应的条件，也为设计新的催化体系提供了理论依据。此外，通过对比不同机制的能量壁垒，我们进一步确认了 ADC 机制在热力学和动力学上的优势，从而排除了其他可能的反应路径。这些结果为金催化反应的机理研究提供了重要的理论支持，并为未来的合成化学研究开辟了新的方向。