在化学合成的世界里，过渡金属催化剂因其卓越的活化化学键能力而长期占据核心地位。特别是它们能够在单电子（1e）和双电子（2e）活化路径之间自由切换，这使其在催化碳−碳和碳−杂原子键形成反应中表现出色。主族元素，尤其是磷，因其地球储量丰富、环境友好而成为潜在候选者。在传统认知中，包括磷在内的主族元素化合物通常表现亲核性或亲电性，即双电子反应路径，这是由于磷元素得失电子依赖于3s/3p价层电子轨道、缺乏能级接近的d轨道。如何让磷元素像过渡金属那样，在单电子和双电子活化路径之间自由切换？尽管化学家们已经开发出磷宾、受阻路易斯酸碱对和几何约束膦烷等体系，用于活化H₂、C−H和X−H键，磷中心的单电子转移反应极为罕见，通常需要强还原剂或光化学氧化条件才能实现。

近日，清华大学张韶光课题组在这一前沿领域取得重要进展。他们反转传统的“金属中心−有机配体”配合物设计理念，将磷置于反应中心，而金属则扮演调控角色的“金属配体”。他们运用钌取代磷杂降蒈二烯1作为瞬态金属磷化物前体，首次实现同一磷中心对碳−卤键的四种不同活化模式：1）对于苄基溴、烯丙基溴等含有C(sp³)–X键的一级卤代烃，主要发生磷中心形式上的双电子氧化加成；二级卤代烃或氯代物反应活性低，进一步印证 S_N2 机理；2）对全氟吡啶、三氯均三嗪等C(sp²)–X键，则通过S_NAr型双电子途径实现活化；3）对1,2-二卤代烷，发生E2型脱卤消除反应生成烯烃，取代基位阻越大，消除速率越高，表明反应首先经历溴中心S_N2亲核取代，继而消除烯烃与Br⁻ ，而不同于单卤代烃的碳中心SN2亲核取代；该体系还首次实现了主族元素中心介导的(E)-1,4-二溴-2-丁烯的 1,4-脱卤反应，高效生成 1,3-丁二烯，拓展了消除反应的适用范围；4）对含有弱键能碳–卤键的二苯基溴甲烷等底物，则切换至单电子自由基路径，发生还原偶联形成C–C键，而这一过程传统上需要强还原性金属参与。不同反应路径的选择由底物本身的性质决定。

为了深入理解以上现象中“金属配体”的作用，研究团队通过中间体XRD表征、电化学分析、DFT计算进行机理研究。对于双电子反应路径，他们成功分离并表征了关键的阳离子钌−磷杂环丙烷中间体[3]⁺。通过阴离子交换和路易斯碱捕获实验，证明了阳离子钌−磷宾中间体[3’]⁺的存在，揭示了S_N2/S_NAr反应的机理。对于单电子反应路径，循环伏安测试排除了外层电子转移机制。理论计算表明，开壳层单重态1^OS（+20.6 kcal/mol）可作为“自由基引发剂”。该中间体通过磷中心的卤原子攫取（XAT）过程生成烷基自由基，随后发生二聚。

钌金属配体在这一过程中扮演了关键角色：在双电子路径中，钌通过轨道相互作用激活磷杂环丙烷的开环；在单电子路径中，钌以及芳基取代基的离域作用稳定了开壳层单重态1^OS，降低产生磷中心自由基的能垒。这些反应性根据底物特性选择性地呈现单电子或双电子途径，模拟了传统上仅限于过渡金属的氧化加成和自由基活化步骤，且非常类似于近年来广泛发展的镍催化自由基偶联反应的机理（NiI选择性识别卤代烃发生2e氧化加成或1e 卤原子转移）。

该研究被进一步应用在三取代膦的模块化构建：研究团队发展了一种 “P + 2E + Nu”模块化合成策略，以一个无毒固体磷源（P）、两种不同的卤代烃亲电试剂（E）和一个亲核试剂（Nu）为反应物，四步一锅法实现三个不同取代基膦（E¹E²NuP）的可控构筑。该策略避免了传统路线中需使用易燃有毒的PH3或挥发性的PCl₃，提供了绿色、安全、高选择性的有机膦合成新路径。

One- and Two-Electron Carbon–Halide Bond Activation at a Phosphorus Center

Zhaoyang Li, Dr. Qiuran Wang, Ren Gao, Prof. Dr. Shaoguang Zhang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202521209