在化学世界里，碳-氢键的活化被誉为“圣杯”，而铁，作为地壳中最丰富的金属元素，一直是催化舞台上的常客。说起铁催化苯环的反应，任何一个化学专业的学生都能脱口而出一个经典案例——苯的溴代反应。在这个反应中，加入铁粉或三溴化铁，能极大地加速溴与苯的反应。这一知识早已写入教科书，是化学界公认的、众所周知的常识。

        然而，这个存在了一百多年的“常识”背后，隐藏着一个被忽略的关键问题：在经典的溴代反应中，三价铁盐（如FeBr₃）扮演的究竟是一个什么样的角色？答案是“旁观者”式的助攻者。它的作用是作为路易斯酸，去“激活”溴分子，使其变成更强的亲电试剂，从而更容易被苯环进攻。在这个过程里，铁离子始终没有与苯环的碳原子直接成键，它只是活化了一个外部试剂，苯环的碳-氢键是被“活化后的溴”所断裂的。打个比方，这就好比用一把特制的钥匙去开一把锁，铁的作用只是把钥匙打磨得更锋利，它自己并没有钻进锁芯里去。

        那么，一个更根本的问题随之而来：不含任何辅助配体的“裸露”三价铁离子，能否直接“单挑”惰性的苯环碳-氢键，形成真正的芳基-铁化学键？ 这个问题，一百多年来，悬而未决。

        近日，国科大杭州高等研究院化学与材料科学学院/中国科学院上海有机化学研究所的俞飚院士团队在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表的研究成果，以铁证如山的实验数据，对这一百年疑问给出了颠覆性的回答。他们首次发现并证实，“裸”三价铁离子在弱配位环境中，可以直接插入到芳环的C-H键之间，形成此前从未被捕获的芳基-铁（III）中间体。

这一发现的颠覆性在于机理的本质不同：

• 经典铁催化溴代：铁活化的是溴分子，铁与芳环没有直接成键，属于间接活化。好比只是打磨了工具，并未亲自触碰锁芯。

• 俞飚团队发现：铁直接进攻的是芳环本身，铁与芳环形成了碳-铁共价键，属于直接活化。好比铁自己钻进了锁芯，拨动了内部的机关。

        后者在化学上意味着更根本、更强的活化能力，难度也迥然不同。

        这个全新的机理，并非来自精妙的设计，而是源于一次“意外”的捕捉。团队在研究芳烃氘代时，使用了氘代三氟乙酸作为溶剂。他们惊奇地发现，当使用高氯酸铁水合物时，反应溶液呈现出了特征的紫红色。经过细致的紫外-可见光谱和电子顺磁共振（EPR）分析，他们确认这正是梦寐以求的芳基-铁中间体的“指纹信号”。这一颜色变化，是铁从“旁观”到“介入”的直接证据，也是破解百年谜题的关键钥匙。

        更令人欣喜的是，这一基础机理的突破，迅速转化成了一个极为高效实用的合成工具——芳烃氢氘交换反应（HIE）。

        氘代化合物在药物研发中至关重要，可以改善药物的代谢稳定性。然而，传统氘代方法在面对含有多取代烷基或卤素的芳烃时，往往效率低下。新方法采用商业廉价易得的高氯酸铁水合物为催化剂，以氘代三氟乙酸为氘源，操作简便，条件温和。其底物普适性之广令人惊叹：无论是简单的烷基苯、多取代卤代芳烃，还是复杂的联苯、萘、二芳基醚，甚至天然产物（如脱氢松香酸），都能以优异产率和极高的氘代度（最高可达100%）实现精准氘代。

        尤为值得一提的是，该方法还能同时活化烷基侧链上远端的β-C(sp³)-H键，实现一并氘代，这是几乎所有现有方法都难以企及的。

        这项成果为氘代药物、氘代发光材料、氘代配体的合成提供了便捷的途径。例如，研究团队利用该策略，高效合成了芳环精准氘代的抗HIV药物达匹韦林（Dapivirine-d₂）的关键前体，以及用于高性能聚酰亚胺材料的氘代单体。

总结而言，俞飚团队的这项研究完成了双重突破：

1. 理论层面：以严谨的实验证据，澄清了一个百年疑问——三价铁离子不仅能“助攻”，更能“主攻”，直接活化苯环C-H键。这颠覆了人们对铁催化C-H活化的传统认知，为金属-芳烃相互作用理论增添了全新篇章。

2. 应用层面：提供了一个简洁、高效、普适性极强的芳烃氘代工具，让利用地球丰产金属铁来精准操控复杂药物分子的C-H键成为现实。

        从教科书里的“路易斯酸催化剂”，到Nature Communications上的“C-H键直接活化主角”，铁离子在俞飚团队手中完成了一场华丽的身份蜕变。这或许正是基础科学的魅力所在——当我们对一个“众所周知”的现象追问到底时，新的世界往往会豁然开朗。

参考资料

Zheng, C., Tang, Y. & Yu, B. Iron(III)-catalyzed activation of C(sp²)-H and C(sp³)-H bonds for H/D exchange of arenes. Nat. Commun. 16, 6144 (2025).

支持单位：