自由基是化学转化过程中的一类关键活泼中间体，是含有未成对电子的原子或原子团。自由基能够参与化学键的断裂与重建，甚至能够应用于天然产物和复杂分子的合成。高效高选择性的自由基生成与转化是自由基驱动有机合成领域的重要研究范畴，具体包括：自由基产生和转化的本质及相应的动力学和动态学规律、自由基反应的活性和选择性调控、新型高效自由基反应的催化剂开发，以及自由基合成方法学在大宗化学品转化和精细化学品合成中的应用等。自由基化学与物理有机化学、有机合成化学、金属有机化学、光化学、电化学、元素有机化学和计算化学等学科的交叉融合，促进形成了一系列新的自由基理论认知，催生出一大批优异、实用的自由基合成反应成果。自由基驱动有机合成已成为当今化学领域的前沿学科，是合成化学的支撑方向之一。

近10年来，自由基驱动有机合成经历了黄金发展期，硕果累累。自由基驱动有机合成与多学科的交叉和渗透，促进了新的自由基化学理论的形成；新型过渡金属催化剂、有机小分子催化剂、光催化剂、电催化剂，以及功能各异的新型配体的多样性开发，高效有机合成反应的持续开拓，使新的科学发现和热点问题在自由基合成领域不断产生，极大地促进了高效高选择性的自由基新反应体系的建立。与此同时，先进技术的进步大大加速了自由基化学的发展，如时空分辨的谱学技术、原位测试表征技术、同步辐射和理论计算等有助于准确快速获取自由基产生和转化的动力学图像，解析自由基形成和成键的过程。围绕自由基的高效产生和转化，科学家关注的主要热点研究问题如下。

自由基的产生方式具有多样性特点，如有机化合物的单电子氧化或还原、弱共价键的均裂等，为自由基反应的开发提供了十分有利的条件。研究者已设计合成出多种具有高活性的自由基前体，如芳基重氮盐、高碘盐、芳基/烷基磺酰氯、活化羧酸酯、硼酸酯、碘或溴化物等，这些前体可直接被活化产生自由基，进而实现官能团转化。但是，惰性化学键的选择性活化和断裂产生自由基，十分具有挑战性，是自由基合成化学的难点和热点问题。例如，C—H键是有机分子的基本化学键，其直接活化和转化具有原子经济和步骤经济的优点。但C—H键键能高、极性小、化学环境类似的特点，导致其难以被高效活化和精准官能团化。利用氧化剂或光/电诱导产生高活性烷氧基自由基、巯基自由基等，通过氢原子转移或质子耦合电子转移过程，在温和条件下活化和断裂惰性 C—H键产生自由基，取得了突出进展。在此基础上，一系列新颖的C—H键自由基官能团化反应如芳基化、氰基化、氧化、胺化、氟化、硼化等相继被实现。进一步利用性能优异的光催化剂、电催化剂，避免使用氧化剂或还原剂，直接活化C—H键产生碳自由基并高效转化，也取得了令人鼓舞
的成果。

自由基介导的官能团远程迁移策略能够高效重建有机分子结构，引入官能团，是自由基合成化学领域的研究热点。利用自由基介导的氢原子、（杂）芳基、亚胺、氰基、酰基、炔基、烯基、三氟甲基等基团的1,2-迁移、1,4-迁移和1,5-迁移等途径，高效实现了烯烃和烷烃远程官能团化反应；通过可见光氧化还原催化循环中产生的碳自由基、氧自由基、氮自由基等诱导分子内氢原子迁移，成功实现了高区域选择性的远程C—H键直接官能团化反应。

自由基极性反转反应将自由基反应的高活性和高官能团耐受性与极性化学反应优异的选择性控制能力统一，正成为突破自由基和传统极性化学局限的有力工具，是自由基驱动有机合成领域的新兴热点研究方向。例如，烷基自由基与非活化烯烃均为富电子体系，极性不匹配，导致自由基驱动非活化烯烃的烷基化反应十分困难，而将烷基与吸电子基团相连，使亲核性烷基自由基反转为亲电性烷基自由基，巧妙地实现了非活化烯烃的烷基化反应。再如，利用还原自由基极性交叉策略，通过还原反应中原位产生的烷基自由基中间体生成具有亲核性的负离子碳中间体，进而快速发生极性匹配的捕获和转化反应。

自由基参与的不对称反应的立体选择性调控一直是合成化学的难题。不对称过渡金属催化和有机小分子催化的蓬勃发展，为自由基驱动的不对称合成带来新的契机。例如，手性配体（如手性二胺、手性单磷、双噁唑啉、阴离子配体、氮杂环卡宾等）络合的金属配合物，以及手性有机小分子（如手性胺、手性磷酸、氮杂环卡宾等）催化的自由基不对称烷基化、芳基化、氰基化、胺化、硼化、三氟甲基化反应和烯烃类化合物的不对称双官能团化反应等取得重大进展。光催化、电催化策略与过渡金属、有机小分子催化相结合，也实现了多种光/电诱导自由基（如氮或氧α-位自由基、苄基自由基、烷基自由基、氮基自由基等）的高效高选择性不对称转化。如何通过克服自由基活性高、寿命短导致反应过程难以控制、选择性差的问题，将光催化、电催化、过渡金属催化、有机小分子催化进行多元组合，精准实现自由基驱动的不对称反应的选择性，是目前的研究重点。

自由基驱动的资源分子高值转化是经自由基反应制备液体燃料和高值化学品，如醇、醛、酸、酸酐、酯、胺、硼酸酯、氰化物、高碳化合物等，是自由基驱动有机合成服务于国民经济主战场的“重要出口”。如CO₂ 是一种丰富、廉价、低毒、可再生的C1合成子。研究人员利用CO₂ 作为亲电试剂，直接参与自由基驱动的有机合成反应，或利用单电子活化模式将CO₂ 还原为高活性的CO₂^{• −} 负离子自由基，再经自由基加成或自由基-自由基偶联，实现了羧基化，酰基化，羰化环化，烯烃的官能团化反应等。氨气作为氮源和氢源能够高效参与自由基介导的胺化、氰化和加氢反应等。利用高活性杂原子自由基攫取甲烷等低碳烷烃的氢原子产生碳中心自由基，进而通过C—C偶联合成高碳化合物或直接官能团化实现硼化、胺化和氧化等反应，取得重要进展。可以预见，在当前“碳中和、碳达峰”总体目标的要求下，资源分子的自由基反应将持续成为合成化学的研究热点，催生出更高效的资源分子转化的自由基反应方法学。

自由基驱动有机合成领域的WoS论文统计（见表1）在一定程度上给出研究体量上的统计学意义。中国该领域的论文数量从2010－2014年的7 940篇增长到2015－2019年的21 226篇，世界排名稳居首位；从表征学术影响力的被引频次来看，中国两个5年期保持稳定，均位居前列；从代表重要成果的高被引论文来看，中国高被引论文数量从前5年的126篇增长至后5年的359篇，相应的排名均位居世界前列。可以看出，过去10年间，自由基驱动有机合成研究呈现出井喷式增长趋势，原创性重要研究成果和研究队伍迅速壮大，使中国成为国际上自由基化学研究的中坚力量。

在自由基的高效产生及转化方面，北京大学焦宁等以分子氧为氧化剂和氧源，在自由基驱动的C—H/C—C键活化氧化合成含氧有机物方面取得了一系列突破性的成果。东北师范大学张前等提出“金属配位氮自由基”策略，实现了氮中心自由基在胺化反应中的高效可控转化，建立了一价铜与氟正离子氧化剂催化体系，广泛用于自由基介导的C—H键官能化反应。中国科学院上海有机化学研究所李超忠等率先报道了自由基脱羧官能团化反应，开发了自由基氟化和三氟甲基化转化新反应。中国科学院化学研究所叶松等发展了氮杂环卡宾催化自由基反应，在单电子氧化剂存在下，实现了烯醇、高烯醇等中间体的氧化偶联。中国科学院理化技术研究所吴骊珠、佟振合等提出放氢交叉偶联（CCHE）策略，利用光催化剂耦合质子还原催化剂，活化C—H键和X—H键产生自由基，在温和条件下交叉偶联生成C—C键和C—X键等；利用苯和水、苯和氨气一步合成苯酚、苯胺，唯一副产物为H₂。中国科学院上海有机化学研究所陈以昀等发展了光催化氧化还原条件下发生单电子转移产生氧自由基的新方法, 实现了氧自由基介导的惰性化学键活化和转化。华中师范大学肖文精、南京大学朱成建等发展了一大批可见光促进的光氧化还原催化的自由基可控产生和转化反应。武汉大学雷爱文等在光/电诱导自由基氧化偶联研究中取得突破。华中师范大学陈加荣等利用光氧化还原策略产生氮自由基，不仅能诱导C—N键形成或C—C键断裂开环等，而且能催化烯烃的官能团化。

在自由基驱动的新型有机合成反应方面，苏州大学朱晨等发展了分子内远端迁移和“对接 - 迁移”等多种新颖的官能团迁移反应策略，协同“对接-迁移”和自由基极性反转策略，实现了非活化烯烃的烷基化。南京大学俞寿云等发展了光诱导氮自由基引发的远程C(sp³ )—H键的氯化反应和三氟甲基自由基介导的1,2-芳基迁移反应。南方科技大学刘心元等发展了一系列金鸡纳生物碱衍生的手性多齿阴离子/铜催化剂作为单电子转移催化剂，实现了不同自由基参与的不对称反应，利用自由基能量差别活化非活化烯烃产生烷基自由基或氮自由基物种，实现其介导的远程C—H键和C—C键官能团化。中国科学院上海有机化学研究所刘国生等提出“金属催化自由基接力”的新概念，开发了新型双噁唑啉手性配体，成功实现了C(sp³ )—H键和烯烃的不对称官能化反应，合成多种手性腈类化合物和三氟甲基化合物。南方科技大学谭斌等采用手性磷酸小分子作为催化剂，以偶氮基团同时作为导向和活化基团，实现了高对映选择性的芳基C—H键官能团化。厦门大学黄培强等发展了基于氮 α-位碳自由基的C—C键不对称偶联策略，实现了一系列氨基醇化合物的高立体专一性合成。中国科学技术大学汪义丰等利用自由基串联反应和极性反转策略，开发出氮杂环卡宾-硼自由基促进的1,6-烯炔化合物的硼化串联环化反应，并发展了一系列路易斯碱-硼自由基介导的硼化、重排和还原反应等。北京大学朱戎等基于烷基Co(III) 中间体的自由基极性交叉反应，开发了高效高官能团兼容性的钴催化烯烃氢官能团化反应。四川大学余达刚等实现了CO₂ 作为C1合成子参与的自由基型羧基化、羰化环化和烯烃的双官能团化等反应。中国科学院上海有机化学研究所肖吉昌等利用二氟卡宾和氨气分别作为氰基的碳源和氮源，通过Ir/Cu双金属光催化实现了高效的自由基驱动的烯烃氰基二氟甲基化。中国科学院上海有机化学研究所左智伟等提出铈-醇复合物光催化策略，利用氢原子转移实现了惰性低碳烷烃的胺化、烷基化和芳基化等反应等。

自由基驱动有机合成在过去10年发展迅速，成果卓著，新反应、新机理层出不穷。随着过渡金属催化、有机小分子催化、光催化、电催化的不断创新和发展，绿色、可控的自由基新反应的开发面临重大机遇。新型过渡金属催化剂、有机小分子催化剂、光催化剂、电催化剂等克服了传统自由基活性难以控制的缺点，大大拓宽了自由基反应的应用范围，使传统反应中难以实现的C—C键、C—X键的构筑得以优雅、高效地进行，自由基反应立体选择性的控制也取得了突破性的进展。光/电诱导自由基反应洁净、节能、节约，促进了新型高活性高选择性自由基反应的设计与开发，极大地推动了大宗化学品转化和合成的变革性技术发展。

与此同时，自由基驱动有机合成的发展也面临诸多挑战。

（1）理论方面

传统自由基化学近百年的发展历程中所产生的自由基理论已经难以满足过渡金属催化、有机小分子催化、光催化、电催化融合下自由基化学迅猛发展的需求；人们对自由基反应中所涉及的自由基中间体物种（如金属-自由基复合物、光催化、电催化中的极性自由基离子）的形成和转化的化学本质认识不足。

（2）表征方面

自由基活性高、寿命短的特点致使其难以被捕获和表征，自由基反应的中间体和反应路径多样，作用规律复杂，当前的技术现状仅能对非工况条件下自由基反应历程中的局部信息进行描述，所获取的数据碎片化、断点化，难以形成完整、综合的自由基产生和转化的动力学和动态学图像，导致自由基反应机理的系统研究十分具有挑战性。

（3）反应方面

受制于自由基寿命短和活性高的特点，自由基反应的选择性，尤其是立体选择性，依然缺乏行之有效、普遍适用的控制方法；C—H键等惰性化学键的高效高选择性活化和转化依然是难点，尤其是非导向C—H键的自由基官能团化反应非常具有挑战性。而对于光/电诱导自由基反应，目前所利用的自由基前体多为活性底物或需要预官能团化，常用光催化剂、电催化剂的氧化和还原能力有限，不能直接活化惰性化学键产生自由基，而且光/电诱导的自由基浓度往往很低，致使其后续转化效率低、选择性差，需在反应体系中加入大量氧化或还原牺牲剂，并耦合过渡金属或有机小分子催化剂实现接力催化。

（4）应用方面

资源分子高值转化面临催化剂成本高、转化效率低、选择性不高、苛刻的反应条件等问题，低碳分子转化亟须解决惰性化学键（如C—H、C—C、C—O等）难以直接高活性高选择性活化的瓶颈问题。高效绿色的自由基新反应只有落到实处，即在化学工业中得到重要应用，才具有实践意义和经济价值。但是，实验室开发的自由基反应在工艺设计、成本估算和操作工时等方面距离实际应用存在差距，而且学术界研究与精细化工生产的结合程度不够，对于具有潜在应用价值的自由基反应方法缺乏细致、深入的探索，导致自由基反应应用于化学工业生产中的实例很少。

综上所述，自由基化学与不同学科间的融合交叉将成为未来发展的必然趋势，并促进形成新的自由基化学理论认知。新型高性能的过渡金属催化剂、有机小分子催化剂、光催化剂、电催化剂，及高效自由基反应的不断开发，先进技术的持续革新与进步，将有力促进高效高选择性的自由基反应新体系的建立，确立我国在自由基合成化学领域的领先地位，同时为我国化学工业的发展提供变革性的技术，服务国民经济发展。