【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心馬佳佳課題組取得了重要研究進(jìn)展，上述成果以“Ir(III) Pincer Complex with Solo Coordinatively Active Site as a Surrogate for Half-Sandwich Catalysts: Enabling Asymmetric Acylnitrenoid Transfer and Structure-Activity Relationship Studies”為題發(fā)表于Journal of the American  chemical society(JACS)。
 

　　在不對稱催化領(lǐng)域，半夾心型過渡金屬絡(luò)合物憑借其優(yōu)異的性能，已成為手性催化劑的重要骨架。2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Noyori開發(fā)的不對稱轉(zhuǎn)移氫化催化劑便是其中的杰出代表。盡管這類催化劑已在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，但開發(fā)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、性能更加優(yōu)異的新型催化劑骨架仍然是不對稱催化領(lǐng)域的重要研究方向。
 

圖 1. 研究背景與研究成果概覽
 

　　基于該背景，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心馬佳佳團(tuán)隊(duì)在替代半夾心型骨架的催化劑開發(fā)方面取得重要進(jìn)展，開發(fā)了一類含單配位活性位點(diǎn)的手性Ir(III) Pincer催化劑(圖1)，該催化劑特性列舉如下：
 

　　1.易于制備和修飾：該催化劑以金屬銥(III)為核心，結(jié)合了N^C^N型三齒螯合配體、C^N型雙齒螯合配體以及易解離的單齒配體。其合成路徑簡潔，從商品化原料出發(fā)，通過四步線性反應(yīng)即可高效制備。由于三齒和雙齒配體均為易獲取的常規(guī)配體，催化劑的電子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)易于修飾，具有較高的靈活性和可調(diào)控性。
 

　　2.穩(wěn)定性卓越：與傳統(tǒng)的半夾心型絡(luò)合物相比，該催化劑展現(xiàn)出顯著的熱力學(xué)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，它能夠耐受強(qiáng)酸(如12N HCl)、強(qiáng)堿(如12N NaOH)以及高溫(130 ℃)等極端條件。
 

　　3.催化性能優(yōu)異：在評價(jià)催化劑活性與選擇性的基準(zhǔn)氮賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)中，該Ir(III) Pincer催化劑不僅表現(xiàn)出超越半夾心型催化劑的活性，同時(shí)保持了優(yōu)異的立體控制能力。此外，催化劑在反應(yīng)后易于回收，進(jìn)一步提升了其應(yīng)用價(jià)值。
 

　　4.催化功能獨(dú)特：基于該催化劑，團(tuán)隊(duì)成功制備了一類含全碳季碳手性中心的八氫吲哚衍生物。這類分子在現(xiàn)有文獻(xiàn)中通常難以直接合成，而該催化劑的開發(fā)為這類化合物的高效合成提供了新途徑。
 

　　5.催化活性與立體控制能力的底層邏輯較為明確：通過詳盡的構(gòu)效關(guān)系分析，尤其是對多個(gè)Ir(III) Pincer絡(luò)合物的晶體學(xué)研究，研究團(tuán)隊(duì)揭示了該催化劑高穩(wěn)定性、高活性以及出色立體控制能力的底層機(jī)制，為相關(guān)催化體系的開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)思路。
 

圖 2. Ir(III) Pincer絡(luò)合物的合成
 

　　研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一系列具有不同取代基的銥(III)絡(luò)合物(圖2)。該合成路線以市售原料為起始，通過Stille偶聯(lián)反應(yīng)制備配體2，隨后將其與IrCl3·3H2O反應(yīng)生成銥二聚體(該中間體無需純化即可投入下一步使用)，再進(jìn)一步與易得的環(huán)金屬C^N配體3(如苯基吡啶或手性苯基噁唑啉類配體)發(fā)生環(huán)金屬化反應(yīng)，最終高效構(gòu)建出目標(biāo)絡(luò)合物。該方法所采用的原料易于獲取，且銥(III)絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)具有良好的可調(diào)性，為后續(xù)催化反應(yīng)研究以及構(gòu)效關(guān)系研究提供了便利。
 

圖 3. Ir(III) Pincer絡(luò)合物穩(wěn)定性測試
 

　　接下來，研究團(tuán)隊(duì)對所得絡(luò)合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了評估。核磁共振氫譜(1H NMR)結(jié)果顯示(圖3a)，絡(luò)合物7在CD3CN中可保持結(jié)構(gòu)不變超過30天，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。此外，使用濃鹽酸(12 N)、濃氫氧化鈉(12 N)處理，或在130 °C高溫下加熱處理，絡(luò)合物7均能被定量回收(圖3b-d)。以上結(jié)果表明，絡(luò)合物7具有優(yōu)異的熱力學(xué)穩(wěn)定性。
 

圖 4. 構(gòu)效關(guān)系研究
 

　　為評估所合成銥(III)絡(luò)合物的催化性能，研究團(tuán)隊(duì)以?；e前體 9a 為底物，在六氟異丙醇(HFIP)中與絡(luò)合物 4a于室溫下反應(yīng)(圖4)。結(jié)果顯示，9a 完全轉(zhuǎn)化，并以99%的高收率得到目標(biāo)C(sp3)–H酰胺化產(chǎn)物 10a，驗(yàn)證了催化劑設(shè)計(jì)的有效性。相比之下，含三聯(lián)吡啶配體的銥絡(luò)合物 11 及含雙齒環(huán)金屬化苯基吡啶配體的絡(luò)合物 12 均表現(xiàn)出顯著降低的催化活性。值得注意的是，絡(luò)合物 12 在HFIP中與 9a 反應(yīng)時(shí)發(fā)生明顯分解。綜上可知，雙環(huán)金屬化結(jié)構(gòu)對銥(III)絡(luò)合物的催化活性至關(guān)重要，而三齒N^C^N配體所提供的強(qiáng)螯合作用則是維持其熱力學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。
 

　　為進(jìn)一步探究雙齒C^N配體的電子效應(yīng)對催化效率的影響，研究團(tuán)隊(duì)在C^N配體的苯環(huán)上引入給電子基團(tuán)甲氧基(4b)及吸電子氟基團(tuán)(4c、4d)。GC產(chǎn)率及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線顯示，絡(luò)合物 4b–d 的催化活性均低于 4a。通過單晶X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，4a 的Ir–Cl鍵長(2.47 Å)明顯長于 4c(2.46 Å)和 4d(2.43 Å)。結(jié)合反位效應(yīng)與反應(yīng)速率之間的關(guān)聯(lián)，4c 和 4d 催化活性下降可歸因于其二氟/四氟苯基σ?給電子能力減弱，削弱了反位效應(yīng)。此外，研究團(tuán)隊(duì)對含聯(lián)吡啶配體的絡(luò)合物 13 進(jìn)行單晶分析，其Ir–Cl鍵長顯著縮短至2.36 Å。綜上所述，由雙齒C^N配體中軸向苯基提供的的反位效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)高反應(yīng)效率的核心因素。
 

圖 5. 探究吸電子氟取代基對催化劑立體控制能力的影響
 

　　在不對稱氮賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)的催化劑篩選過程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在環(huán)金屬化雙齒C^N配體中引入吸電子取代基(F和CF?)的手性銥(III)絡(luò)合物，相較于未取代的類似物，普遍表現(xiàn)出更優(yōu)異的對映選擇性控制能力。例如，銥(III)絡(luò)合物6f催化生成產(chǎn)物10a的對映選擇性為80% ee，而其四氟取代類似物6m的對映選擇性則顯著提升至90% ee。為探究其內(nèi)在機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)對相應(yīng)的氯絡(luò)合物6f-Cl和6m-Cl進(jìn)行了單晶X射線衍射分析。如圖5所示，在6m-Cl中，Cl與C1(Cl→C1)及Cl與C2(Cl→C2)的距離分別為3.60 Å和3.72 Å，而在6f-Cl中對應(yīng)距離分別為3.64 Å和3.82 Å。這一結(jié)果明確表明，引入四氟取代后，手性C^N配體的茚基部分更靠近由氯離子所占據(jù)的反應(yīng)位點(diǎn)，從而使四氟取代的絡(luò)合物6m在氮賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)異的立體控制。從6f-Cl到6m-Cl，氯離子與茚基部分之間距離的縮短可歸因于兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變：赤道面Ir−C鍵從2.03 Å延長至2.06 Å，而Ir−Cl鍵則從2.44 Å縮短至2.41 Å。這一現(xiàn)象可從以下兩方面解釋：首先，在C^N配體的苯環(huán)上引入吸電子氟原子，削弱了其σ給電子能力，導(dǎo)致Ir−C鍵變長；與此同時(shí)，手性配體仍與金屬中心保持強(qiáng)螯合，使其遠(yuǎn)端茚基更接近氯離子。其次，氟取代基導(dǎo)致的σ給電子能力降低也減弱了反位效應(yīng)，引起Ir−Cl鍵縮短，從而使氯離子(即反應(yīng)中的活性位點(diǎn))更靠近金屬中心及C^N配體的茚基部分。這些結(jié)構(gòu)證據(jù)共同表明，在手性C^N配體中引入吸電子基團(tuán)可通過精細(xì)調(diào)控銥絡(luò)合物的空間位阻和電子效應(yīng)，增強(qiáng)銥絡(luò)合物在催化反應(yīng)中的立體控制能力。
 

圖 6. Ir(III) Pincer絡(luò)合物催化不對稱合成γ-內(nèi)酰胺
 

圖 7. Ir(III) Pincer絡(luò)合物催化不對稱合成八氫吲哚衍生物
 

　　基于這類新型手性Ir(III)催化劑，研究團(tuán)隊(duì)不僅高效實(shí)現(xiàn)了多種取代γ-內(nèi)酰胺的不對稱合成(圖6)，更在構(gòu)建含全碳季碳手性中心的八氫吲哚骨架方面取得重要突破(圖7)。通過去對稱化策略，該反應(yīng)成功合成了一系列手性八氫吲哚酮衍生物，為復(fù)雜手性雜環(huán)分子的構(gòu)筑提供了有力工具。
 

圖 8. 催化劑回收試驗(yàn)和產(chǎn)物衍生化
 

　　基于銥(III)絡(luò)合物優(yōu)異的穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展了催化劑回收實(shí)驗(yàn)。如圖8a所示，反應(yīng)結(jié)束后，手性銥(III)絡(luò)合物7和6m經(jīng)鹽酸溶液處理，可分別以中性形式的8和6m-Cl高效回收。此外，在催化劑負(fù)載量降至0.01 mol%的條件下，仍可實(shí)現(xiàn)46%的收率和89%的對映選擇性，對應(yīng)TON達(dá)4600(圖8b)。最后，所合成的產(chǎn)物16a通過一系列衍生反應(yīng)，包括鈀催化的芳基化、N-磺?；⒘蚧斑€原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高效轉(zhuǎn)化(圖8c)。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一類新型手性Ir(III) Pincer絡(luò)合物。該類絡(luò)合物具有制備簡便、結(jié)構(gòu)高度可調(diào)的特點(diǎn)，同時(shí)兼具優(yōu)異的穩(wěn)定性與高催化活性。通過構(gòu)效關(guān)系研究，團(tuán)隊(duì)揭示了三齒C^N^C配體(負(fù)責(zé)保障穩(wěn)定性)與雙齒C^N配體(通過反位效應(yīng)提升催化性能)之間的作用機(jī)制，這一研究為相關(guān)催化體系的開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)思路。上海交通大學(xué)馬佳佳副教授為該論文通訊作者；上海交通大學(xué)博士研究生楚云鵬和徐振輝為論文共同第一作者。該項(xiàng)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和上海市科委面上項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。