Pd催化亲核试剂对脂肪族烯烃的亲核进攻通常生成马式加成产物，因为双键上多取代的碳原子比末端碳具有更高的电正性，与亲核试剂之间存在更强的静电相互作用。正是由于马氏加成的天然优势，选择性的实现简单烯烃的反马式加成具有较高的挑战性。常用的方法是使用大位阻的亲核试剂，利用烯烃末端碳上位阻较小的特点，可以实现反马式加成，但这类方法存在催化转化率低、反应产率低的缺点。最近德克萨斯大学奥斯汀分校的Kami L. Hull教授报道了一例Pd催化烯烃的氧化胺化反应（见下图），通过调控Pd催化剂的电子性质实现了简单烯烃的反马式加成反应(Nat. Chem., 2018, 10, 333-340)。实验中使用Pd(OAc)2作为催化剂，苯邻二甲酰亚胺为亲核试剂，添加剂Bu4NCl和Bu4NOAc的加入使得反应由马式选择性转变为反马式选择性。实验中推测添加剂的使用可以稳定负离子Pd催化剂，Pd催化剂电子性质的改变导致了选择性的反转。受到这一实验现象的启发，匹兹堡大学刘鹏教授（点击查看介绍）课题组对亲核钯化反应中影响选择性的关键因素展开了一系列理论研究。
众所周知，亲核试剂与催化剂‒底物之间的相互作用决定了烯烃胺化反应的区域选择性。对这类作用的研究有助于理解和预测亲核进攻的选择性。但是这类相互作用由许多复杂的位阻效应和电子效应构成，若是想更好的解释和调控选择性，必须对亲核试剂与催化剂‒底物的相互作用进行深入的研究。刘鹏课题组第一次将能量分解分析（EDA）方法引入到 Pd催化烃烃官能团化反应区域选择性的研究中，借助这一方法将亲核试剂与催化剂‒底物之间的相互作用详细拆分（见下图），其中包括位阻效应(ΔEsteric)，电子效应(ΔEelec)和色散力(ΔEdisp)，另外电子效应(ΔEelec)还可以细分为静电相互作用(ΔEelstat)，极化能(ΔEpol)和电荷转移能(ΔEct)。因为极化能(ΔEpol)和电荷转移能(ΔEct)均属于轨道相互作用，为了方便分析和理解，极化能(ΔEpol)和电荷转移能(ΔEct)的结合被称为轨道相互作用部分(ΔEorbital)。最终，反应活化能被拆分为位阻效应(ΔEsteric)，静电相互作用(ΔEelstat)，轨道相互作用(ΔEorbital)和色散力(ΔEdisp)。在此能量分解的基础上就可以定量的对比不同作用力对选择性的影响，从而得到决定反应选择性的主导因素。
采用上述能量拆分方法，刘鹏课题组研究了中性Pd(OAc)2催化的顺式亲核进攻过渡态9M-TS和9A-TS，以及反式亲核进攻过渡态6M-TS和6A-TS。能量分解分析（EDA）结果表明，顺式亲核进攻机理中促进马式选择性的主要因素是轨道相互作用，而反式亲核进攻中决定选择性的主导因素是静电相互作用。
对于负离子Pd(OAc)3‒催化的反式亲核进攻过渡态12M-TS和12A-TS，EDA结果表明位阻效应对反马式选择性的促进作用超过了电子效应和色散力作用对马式选择性的促进作用，所以负离子Pd催化的亲核进攻更倾向于生成反马式加成产物。这种情况下，决定反应选择性的主导因素是位阻效应。通过与中性Pd催化反式亲核进攻的对比发现，负离子催化剂存在时，静电相互作用的数值由5.4kcal/mol减小到2.5kcal/mol，正是因为催化剂电子性质的改变削弱了碳碳双键上的电荷差别，从而导致静电相互作用的减弱，使得对反马式选择性有利的位阻效应成为主导因素。
总结
刘鹏课题组首次报道了能量分解分析（EDA）在金属有机反应选择性中的研究应用。通过对一系列Pd催化亲核进攻反应的研究，定量分析了位阻效应、电子效应的相对大小，总结出了不同电子性质和位阻大小的亲核试剂以及不同种类Pd催化剂对反应区域选择性的影响规律（见下图）。这套规律具有普适性，对今后类似反应的设计和选择性的调控具有重要的指导意义。
这一成果近期发表在Journal of American Chemical Society 上，文章的第一作者是戚孝天博士。
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Energy Decomposition Analyses Reveal the Origins of Catalyst and Nucleophile Effects on Regioselectivity in Nucleopalladation of Alkenes
Xiaotian Qi, Daniel G. Kohler, Kami L. Hull*, Peng Liu*
J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 11892-11904, DOI: 10.1021/jacs.9b02893
刘鹏课题组简介
刘鹏教授2003年本科毕业于北京大学，2006年在圭尔夫大学取得硕士学位，2010年在UCLA取得博士学位，师从美国科学院院士Kendall N. Houk教授。2010年至2014年，跟随Houk教授进行博士后研究。2014年9月份，刘鹏教授以课题组负责人的身份加入美国匹兹堡大学化学系开展独立研究。目前刘鹏教授的研究兴趣包括通过构建新的计算模型，定量的描述有机催化和过渡金属催化反应中活性和选择性的来源；借助最新的计算化学方法和软件，通过与实验课题组的紧密合作，辅助新颖催化剂的设计与发现，共同解决有机合成中的重要问题。
刘鹏
https://www.x-mol.com/university/faculty/1732
课题组主页
戚孝天博士本科就读于重庆大学（2009~2013年），2017年于重庆大学获得博士学位，师从蓝宇教授。2017年9月加入匹兹堡大学刘鹏教授课题组从事博士后研究。
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