Ni(II)中心对碳中心自由基的捕获常见于近期报道的交叉偶联反应和金属光氧化还原催化反应中。Ni(II)中心在捕获自由基后生成Ni(III)中间体，并进一步发生还原消除反应生成目标产物（图1A）。这种反应路径不同于传统的由Pd等贵金属介导的二电子过程，从而为C-C键的形成提供了新的合成思路：一方面该体系扩展了交叉偶联配偶的范畴；另一方面，Ni(III)的生成无论从动力学还是热力学上都有利于还原消除反应的发生；此外，Ni中心对自由基的捕获有助于对反应化学选择性和立体选择性的控制。此类体系中，最常见的是含N配体（如联吡啶）等配位的Ni(II)-芳基络合物，如(bpy)Ni(Ar)(Br)等，该物种的反应路径通常有内球反应机理和外球反应机理两种，区别在于是否存在自由基与Ni中心的相互作用（图1 B和C）。前者常见于1°和2°自由基，而后者多出现在3°自由基捕获当中。尽管Ni(II)的自由基偶联催化体系具有相当广阔的应用前景，但目前仍缺少实验观测的证据予以支持，此外，关于配体在自由基捕获过程中的作用机制研究鲜少报道。

对于此，来自美国纽约大学的刁天宁教授研究团队通过实验全面地研究并对比了由不同配体（如联吡啶bpy，1,10-菲罗啉phen等）配位的Ni(II)-芳基络合物以及Ni(II)-烷基络合物对碳中心自由基的捕获行为。该工作从以下几个方面研究了该过程：

1. 从实验上区分了内球与外球反应机理并提供了Ni(III)中间体的光谱学证据；

2. 速率常数的实验结果表明，先前工作中的DFT计算低估了动力学能垒，且Ni(II)对自由基的捕获相对于快速的还原消除步骤来说应为反应的决速步骤；

3. 通过对Ni(II)-芳基络合物以及Ni(II)-烷基络合物的反应性对比，表明不同结构在反应中存在不同的决速步骤，导致了C(sp³)–C(sp³)偶联反应不易发生；

4. 对自由基捕获过程的立体化学研究揭示了底物和手性配体对反应立体选择性的影响。

该工作有望启发基于自由基捕获中间体的相关研究，并有助于进一步实现对反应范畴的扩展。

Ni中心反应配体和辅助配体的影响

首先，作者选取一系列配体配位的Ni络合物，包括1,10-菲罗啉phen、吡啶噁唑啉pyrox、吡啶双噁唑啉pybox-以及联吡啶bpy，作为研究对象探究辅助配体和反应配体对自由基捕获的影响。在390 nm波长的光照以及(phen)Ni(Ar)(Br)络合物2存在的条件下，激发苄基二氢吡啶1（Bn-DHP），可定量得到交叉偶联产物Ar-Bn（图2A，条目1），光谱学实验表明反应后生成了(phen)NiBr络合物3。对于位阻较大的络合物4，偶联反应产物产率仅有10%（条目2）。对于Ni-烷基络合物5和6，反应性较低，且生成自偶联产物（条目3, 4）。

随后作者研究了具有不同N配体的Ni络合物的反应活性，包括bpy、^tBu-bpy、^CF3-bpy、pyrox、pybox等（图2A，条目6-12）。包含这些配体的络合物均能以较好产率得到C(sp²)-C(sp³)交叉偶联产物。相比较而言，缺电子配体络合物以及具有较大位阻基团的配体络合物得到的交叉偶联产物产率更低。相同反应条件下，bpy与pyrox配位的Ni-烷基络合物仅能得到痕量C(sp³)-C(sp³)交叉偶联产物，显示出烷基和芳基反应配体的反应性差异。DHP底物15与芳基溴以及烷基溴亲电体在Ni(II)催化下也显示出显著的偶联反应活性差异（图2B）。

形成Ni(III)中间体的光谱学证据

作者进一步利用光照-EPR实验证实Ni(II)络合物在自由基捕获后产生了Ni(III)物种。分别在络合物2或9存在的情况下，可观测到一各向同性的EPR信号，该信号归属于苄基自由基（图3A）。EPR谱未显示出对应于Ni物种的信号。相比而言，以络合物11为研究对象时，77K条件下无法观测到信号，而5K时出现一金属中心的EPR信号（图3B）。对该信号的拟合表明其g值与文献报道的Ni(III)络合物相似，表明实验上观测到了Ni(III)的存在。

Ni(II)络合物捕获自由基的动力学分析

对自由基捕获过程的直接测量通常受制于苄基自由基缓慢的生成速率以及中间体快速的还原消除。为了规避此障碍，研究人员选择使用自由基时钟法（radical clock）来确定络合物2和9的自由基捕获过程（图4）。通过动力学计算可知，对于1°自由基21在(phen)Ni(Ar)(Br)上的捕获，其速率常数为(2.7±0.3)×10⁷ M^-1 s^-1，对应的动力学能垒约为7.5 kcal/mol；而对于2°自由基22，其捕获过程反应速率常数为(3.7±0.4)×10⁶ M^-1 s^-1，相较于1°自由基速率低了一个数量级。当Ni络合物为9时，1°自由基与2°自由基的捕获反应速率分别为(5.9±0.9)×10⁷ M^-1 s^-1以及(1.4±0.3)×10⁷ M^-1 s^-1，作者推断较高的1°自由基捕获速率常数可能来源于9更低的氧化电势，较低的2°自由基捕获速率可能是大位阻基团导致的。

Ni–C(sp²)与Ni–C(sp³)络合物反应性的对比

基于上述研究结果，特别是配体位阻对自由基捕获速率的影响，作者认为该过程可能更倾向于内球反应机理。对于Ni–C(sp²)络合物2与Ni–C(sp³)络合物6反应性差异的来源，作者提出了两个假说，一是自由基捕获对于2是有利的，而对于6是不利的；二是2与6两者均可捕获自由基，然而前者发生还原消除的速率大于后者。Ni(III)物种18和19难以生成还原消除产物，与难以通过发生还原消除形成C(sp³)–C(sp³)键的假说相符。络合物2难以检测到Ni(III)的EPR信号可能正是由于其发生还原消除反应速率过快，超出了SHQE检测器的检测限。

进一步地，作者展示了基于Ni(II)络合物的非对映选择性和对映选择性催化，通过构建手性吡啶噁唑啉及双环咪唑啉配位的Ni(II)络合物，可以获得较高ee值的对映体产物（图5），展示了该体系在不对称催化反应中的应用潜力。

综上，本工作阐释了Ni(II)络合物自由基捕获的构效关系，揭示了反应配体与辅助配体对偶联反应的影响，并通过EPR谱从实验上证实了反应过程中Ni(III)的产生。Ni-芳基络合物与Ni-烷基络合物的反应性差距可归因于不同的决速步。该工作有望扩展基于自由基捕获的催化反应范畴，并为将该反应类型拓展到立体选择性催化提供了新的思路。