中国科学院上海有机所有机先进氟氮材料全国重点实验室薛小松课题组（https://www.x-mol.com/groups/xue_xiaosong）近日在J. Am. Chem. Soc.上在线发表了题为“Ambimodal (2 + 1)/(4 + 1) Pseudopericyclic Transition States in Reactions between Dihalocarbenes and Olefins”的研究论文（J. Am. Chem. Soc. 2026, https://doi.org/10.1021/jacs.5c13906），并被选为内封面。该研究在过渡态后分岔（post-transition state bifurcation, PTSB）领域取得重要进展，发现了二卤卡宾与双烯的类周环反应中存在两可过渡态（ambimodal transition state）（注：“两可”过渡态一词最先由北京大学余志祥教授从ambimodal transition state翻译而来），即单一过渡态可分流生成(2 + 1)与(4 + 1)两类产物，并揭示了熵中间体及卤素取代效应在调控势能面分岔选择性中的关键作用。

在传统过渡态理论框架下，反应选择性通常由不同反应路径对应过渡态的相对能量差决定。然而，当势能面在过渡态之后发生分岔时，单一过渡态可沿不同反应坐标直接演化至多个产物，而无需经过势能面极小值（中间体）。此类反应的选择性不再由静态能量控制，而呈现显著的动态学特征。因此，识别新的两可过渡态体系并阐明其动态学控制机制，对于深化反应选择性的本质认识具有重要意义。

卡宾与烯烃或炔烃的环加成反应是有机化学中的经典反应类型，其中(2 + 1)加成最为常见。早在1985年，Herbert Mayr 教授等报道了二卤卡宾与1,2-二亚甲基环烷烃反应可同时生成(2 + 1)与(4 + 1)产物(Angew. Chem. Int. Ed.1985, 24, 579；Angew. Chem. Int. Ed.1985, 24, 585)，但不同卤素取代导致的选择性差异长期缺乏明确机理解释（图1）。

图1: 两可过渡态的示意图，卡宾与烯/炔的环加成，以及可能引发势能面二分的轨道相互作用

本研究以二溴卡宾与1,2-二亚甲基环庚烷为模型体系，结合密度泛函理论计算与准经典分子动力学模拟，揭示了控制反应选择性的两可过渡态（图2）。基于该过渡态开展的轨线计算所得产物分布与实验结果相一致，并在动力学轨线中清晰观察到反应路径的分岔行为。进一步通过成键时间差（time-gap）分析与基于机器学习的熵路径采样（entropic path sampling, EPS）方法，揭示了熵中间体在增强势能面分岔中的重要作用。轨道分析（IBO与PIO）表明，该两可过渡态源于二溴卡宾σ孤对电子与双烯LUMO在C2与C4位点的竞争性相互作用。基于此，研究进一步阐明了不同二卤卡宾在(4 + 1)产物形成中的选择性差异及底物结构对反应路径的影响。此外，研究团队还在亲核性二甲氧基卡宾与α,β-不饱和羰基化合物的环加成反应中发现了类似的两可过渡态，该类反应已在天然产物全合成中得到应用。

图2: 选取的模型反应及其势能面，轨线图，以及对轨线的动态学分析

综上，该工作发现了一类新的两可过渡态反应模式，明确了轨道相互作用与熵中间体在势能面分岔中的作用，为理解复杂反应体系中的选择性提供了新的视角。

该论文第一作者为上海有机所博士后王桐坤，通讯作者为薛小松研究员。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省及中国科学院的资助。作者同时感谢德国慕尼黑大学Herbert Mayr 教授、美国加州大学洛杉矶分校 Kendall Houk 教授以及美国范德堡大学杨中悦教授在本研究中的宝贵建议与支持。