7.2.4　无金属催化的芳烃C—H键活化反应

近30年来，酸介导的C—H键活化已经取得了迅速发展，但在反应中往往需要使用贵金属（如钯、铑），因此发展无金属催化的芳烃C—H键活化反应成为有机化学家追求的方向。Siegel和Houk等合作利用邻苯二甲酰过氧化物作为氧化剂成功地将芳烃转化为苯酚，同时通过理论计算揭示了一个新的C—H键活化机理，即reverse-rebound机理，并解释了芳烃C—H键活化反应的选择性^[8]。

研究发现，芳烃转化为苯酚的机理可分为以下3步：首先是邻苯二甲酰过氧化物经过单分子过氧键断裂得到双自由基，随后自由基与芳烃作用形成C—O键（图7-6中路径a），最后另一个自由基攫取芳烃H原子，氢解得到产物。这个机理被称为reverse-rebound机理。双自由基还有可能先攫取芳烃H原子，随后形成C—O键（图7-6中路径b），这个机理被称为rebound机理。但此机理可以被排除，理论计算表明其能垒远远高于路径a。当他们利用均三甲苯作为反应底物和溶剂，并分别利用邻苯二甲酰过氧化物和苯甲酰过氧化物作为自由基引发剂时，观察到了不同的选择性。前者得到了苯环C—H键活化产物，而后者只得到了甲基C—H键活化产物。他们还利用理论计算研究了C—O键过渡态的结构及两种氧化剂的反应势能面，发现邻苯二甲酰氧自由基形成C—O键仅需10.0kcal/mol的活化能，随后攫取苯环H原子的活化能小于4.0kcal/mol，而攫取甲基上的氢形成苄基自由基需要15.5kcal/mol。对于苯甲酰氧自由基来说，虽然形成C—O键比形成苄基自由基的活化能低，但随后另一个自由基攫取苯环H原子成为反应决速步，总的活化能高达25.8kcal/mol，远远高于形成苄基自由基的18.9kcal/mol（图7-7）。通过对于上述两个反应势能面的研究，不同选择性的内在原因，即两种自由基攫取不同氢原子的活化能差异被揭示了出来。

图7-6 邻苯二甲酰过氧化物催化的两种路径(https://www.daowen.com)

图7-7 苯甲酰氧自由基催化苄基自由基生成