在均相過渡金屬催化領域，鐵催化惰性鍵活化反應是備受關注的前沿之一。鐵是第一過渡系廉價金屬，其體系常具有復雜的開殼層電子結構以及多個能量相近的自旋態，是理論和計算化學研究的難點。在C-H鍵活化方面，自然界中的含鐵金屬酶以高價鐵氧（FeIV=O，FeIII-O2）物種抓取H原子活化惰性健。通過對其機理的研究，人們建立了涉及兩個和多個自旋態的二態反應性（TSR）和多態反應性（MSR）概念，得到了生物化學和生物無機化學相關領域的廣泛接受。在均相催化和金屬有機化學研究中，低價鐵催化的C-H鍵活化是更受關注的過程，對其反應機理和反應性本質的認識還非常缺乏。

　　在國家自然科學基金委的支持下，中國科學院化學研究所光化學院重點實驗室的科研人員在均相鐵催化惰性C-H鍵活化機理研究方面取得了系列進展。在前期工作中，科研人員與中科院上海有機化學研究所相關課題組合作，對三配位平面結構高價鐵雙氮賓化合物的電子結構、57Fe穆斯堡爾譜參數、分子內C(sp3)-H活化/分子間Si-H活化的機理開展了密度泛函理論計算研究，證實了高價鐵氧體系中的二態反應性在高價鐵氮賓體系中同樣適用，與高價鐵氧體系的高配位數不同，高價鐵氮賓化合物具有低配位數，這使得配位不飽和的Fe中心可以直接參與C-H去氫化反應和Si-H胺化反應(圖1)。相關結果發表在J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 14196-14207。

　　最近，針對低價Fe催化的C(sp2)-H和C(sp3)-H鍵活化和芳基化反應的機理，利用密度泛函與耦合簇方法相結合的計算化學策略，科研人員首次提出了其C-H鍵活化的二態反應性圖像。研究發現：（1）二價Fe和三價Fe都能以s-鍵復分解的模式，通過在反應物端處于激發態的低自旋態介導C-H活化過程（圖2），這與高價Fe氧物種通過高自旋態介導C-H活化反應有本質區別；（2）在C-H活化過程之后，反應中的二鹵代烴氧化劑通過單電子轉移（SET）的機理將二價Fe氧化為三價Fe，三價Fe的形成對后續C-C偶聯過程的順利發生必不可少；（3）在三價Fe促發的還原消去C-C偶聯過程之后，反應中的二鹵代烴氧化劑繼續通過SET機理將生成的一價Fe氧化再生為二價Fe，與SET相比，雙電子氧化的氧化加成過程在能量上是不利的；（4）整個催化循環中，Fe的氧化態演化過程為Fe(II)/Fe(III)/Fe(I)或Fe(III)/Fe(I)，配體具有穩定高反應活性的低自旋態的作用。通過對其它第一過渡系金屬二價陽離子的計算比較，科研人員預言了Mn(II)金屬中心具有潛在的C-H鍵活化能力，其實現的前提是配位環境需要足夠地穩定化其低自旋電子態。相關結果發表在J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3715-3730。

　　此外，針對更為低價的多核（雙核、三核）零價羰基鐵化合物催化的芳環C(sp2)-H鍵活化反應，科研人員與化學所分子識別與功能實驗室相關實驗課題組合作，通過對單、雙、三核體系的理論計算模擬，發現其反應機理涉及雙核Fe催化過程，活性中間體可能是雙核鐵雜環物種，該物種由零價鐵促發的氧化加成型C(sp2)-H鍵活化過程產生，而整個反應的速度決定步驟是Fe(1)-H對Fe(2)配位炔烴底物的插入過程，兩個Fe核在該反應步驟中起協同作用，是較罕見的多核Fe均相催化反應過程（圖3）。相關結果發表在Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5268-5271。