钒磷氧（VPO）催化剂是工业上的一种重要催化剂，可催化正丁烷（n-C4H10）氧化为马来酸酐(C4H2O3)，年产量约为50万吨（2000年数据），是一种少见的可以应用在工业生产上的C-H键活化催化剂。该反应过程中共发生了8次质子转移及14次电子转移。

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传统机理认为该过程中C-H键活化反应仅发生在高价V=O键上。然而2013年加州理工学院的Goddard教授通过理论计算提出了一种新颖的载体参与反应的机理，认为反应过程中除了过渡金属V以外，载体中的P同样参与反应。氢自由基转移过程实质上是质子转移和电子转移两个过程，其中质子转移过程发生在P=O键上，电子转移过程发生在V上（下图（a））。该过程实质上是近年来被广泛研究的质子耦合电子转移过程（PCET, proton-coupled electron transfer）。其特殊之处在于，常见的PCET过程中质子转移和电子转移发生在同一个原子上；而在Goddard教授提出的机理中，质子转移和电子转移发生在不同的原子上。该机理另一特殊之处在于，过渡金属元素和主族元素协同参与化学反应；P=O键作为通常的惰性集团，可参与C-H键活化过程。到目前为止，该机理尚未获得实验上的支持。

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加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的Gabriel Menard助理教授自2015年开展独立研究以来，一直致力于对该催化机理的研究。近日，他们在J. Am. Chem. Soc.上报道了题为“Probing Hydrogen Atom Transfer at a Phosphorus(V) Oxide Bond Using a “Bulky Hydrogen Atom” Surrogate: Analogies to PCET”的文章，第一作者为楚甲祥博士，本文向我们阐述了两个含有V(V)=N–P(V)=O结构的模型化合物，其中钒和磷均处于其最高氧化态（+5价）。他们研究了这两个模型化合物与氢自由基及硅自由基（作为氢自由基的类似物）的反应，从而支持了这一机理。

在研究与氢自由基的反应中，他们发现，使用常见的氢自由基供体，如2,4,6-三叔丁基苯酚（O-H均裂能77.1 kcal/mol），1,4-环己二烯（C-H均裂能72.6 kcal/mol），或2,2,6,6-四甲基-N-羟基哌啶（TEMPO-H，O-H均裂能65.2 kcal/mol），均不能与模型化合物发生反应。而使用更活泼的二价铬氢化物CpCr(CO)3H（Cr-H均裂能57.3 kcal/mol），则观察到一价铬配合物二聚体[CpCr(CO)3]2的生成，表明反应过程中发生了氢自由基转移。该过程中生成的钒配合物不稳定，核磁共振可观测到其变坏后的产物，二苯基胺Ph2NH（上图（b））。氘代实验证明胺氢质子来源于二价铬氢化物。

为了得到更稳定的自由基转移产物，考虑到O-Si键能大于O-H键能，他们采用硅自由基作为氢自由基的类似物，并尝试了与模型配合物的反应。使用1,4-双（三甲基硅基）吡嗪作为硅自由基供体，他们成功得到了硅自由基转移的产物。该反应过程与Goddard提出的反应机理类似，三甲基硅基阳离子转移过程发生在P=O键上，电子转移过程则发生在V上。

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对于该硅自由基转移过程，他们提出了三种可能的机理，分别为：电子转移先于硅阳离子转移；硅阳离子转移先于电子转移；电子转移和硅阳离子转移同时进行。这三种机理可在一个“平方图(square scheme)”中表示出来（如下图所示）。值得一提的是，该“平方图”中涉及到8个配合物（两个模型配合物，两个硅自由基转移后的反应产物，以及四个可能的反应中间体），全部得到分离纯化，并经单晶衍射表征，从而使反应机理的讨论更加具有说服力。最终他们排除了硅阳离子转移先于电子转移的机理；另外两种机理由于活化能接近而无法区分。

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总之，这篇文章研究了两个含有V(V)=N–P(V)=O结构的模型配合物与氢自由基及硅自由基的反应，证明过渡金属与主族元素可协同参与化学反应。该过程与Goddard教授提出的VPO反应机理有非常强的相似性。

目前越来越多的研究表明在很多非均相催化剂中，载体很可能并不是真正“惰性”的，而是以某种形式参与到反应中去。相信以后会有更多课题组投入到这一研究领域中去。

参考文献：Probing hydrogen atom transfer at a phosphorus(V) oxide bond using a “bulky hydrogen atom” surrogate: analogies to PCET.

J. Am. Chem. Soc.2018, doi:10.1021/jacs.8b09063.