【儀表網 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學變革性分子前沿科學中心馬佳佳課題組取得了重要研究進展，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)。
在不對稱催化領域，半夾心型過渡金屬絡合物憑借其優(yōu)異的性能，已成為手性催化劑的重要骨架。2001年諾貝爾化學獎得主Noyori開發(fā)的不對稱轉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術界和工業(yè)界得到廣泛應用，但開發(fā)結構更加穩(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，上海交通大學變革性分子前沿科學中心馬佳佳團隊在替代半夾心型骨架的催化劑開發(fā)方面取得重要進展，開發(fā)了一類含單配位活性位點的手性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，催化劑的電子性質和結構易于修飾，具有較高的靈活性和可調控性。
2.穩(wěn)定性卓越：與傳統(tǒng)的半夾心型絡合物相比，該催化劑展現出顯著的熱力學穩(wěn)定性。實驗表明，它能夠耐受強酸(如12N HCl)、強堿(如12N NaOH)以及高溫(130 ℃)等極端條件。
3.催化性能優(yōu)異：在評價催化劑活性與選擇性的基準氮賓轉移反應中，該Ir(III) Pincer催化劑不僅表現出超越半夾心型催化劑的活性，同時保持了優(yōu)異的立體控制能力。此外，催化劑在反應后易于回收，進一步提升了其應用價值。
4.催化功能獨特：基于該催化劑，團隊成功制備了一類含全碳季碳手性中心的八氫吲哚衍生物。這類分子在現有文獻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：通過詳盡的構效關系分析，尤其是對多個Ir(III) Pincer絡合物的晶體學研究，研究團隊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制，為相關催化體系的開發(fā)提供了重要的理論依據和設計思路。
圖 2. Ir(III) Pincer絡合物的合成
研究團隊設計并合成了一系列具有不同取代基的銥(III)絡合物(圖2)。該合成路線以市售原料為起始，通過Stille偶聯(lián)反應制備配體2，隨后將其與IrCl3·3H2O反應生成銥二聚體(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，最終高效構建出目標絡合物。該方法所采用的原料易于獲取，且銥(III)絡合物的結構具有良好的可調性，為后續(xù)催化反應研究以及構效關系研究提供了便利。
圖 3. Ir(III) Pincer絡合物穩(wěn)定性測試
接下來，研究團隊對所得絡合物的熱力學穩(wěn)定性進行了評估。核磁共振氫譜(1H NMR)結果顯示(圖3a)，絡合物7在CD3CN中可保持結構不變超過30天，表現出優(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，絡合物7均能被定量回收(圖3b-d)。以上結果表明，絡合物7具有優(yōu)異的熱力學穩(wěn)定性。
圖 4. 構效關系研究
為評估所合成銥(III)絡合物的催化性能，研究團隊以酰基氮賓前體 9a 為底物，在六氟異丙醇(HFIP)中與絡合物 4a于室溫下反應(圖4)。結果顯示，9a 完全轉化，并以99%的高收率得到目標C(sp3)–H酰胺化產物 10a，驗證了催化劑設計的有效性。相比之下，含三聯(lián)吡啶配體的銥絡合物 11 及含雙齒環(huán)金屬化苯基吡啶配體的絡合物 12 均表現出顯著降低的催化活性。值得注意的是，絡合物 12 在HFIP中與 9a 反應時發(fā)生明顯分解。綜上可知，雙環(huán)金屬化結構對銥(III)絡合物的催化活性至關重要，而三齒N^C^N配體所提供的強螯合作用則是維持其熱力學穩(wěn)定性的關鍵。
為進一步探究雙齒C^N配體的電子效應對催化效率的影響，研究團隊在C^N配體的苯環(huán)上引入給電子基團甲氧基(4b)及吸電子氟基團(4c、4d)。GC產率及反應動力學曲線顯示，絡合物 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，4a 的Ir–Cl鍵長(2.47 Å)明顯長于 4c(2.46 Å)和 4d(2.43 Å)。結合反位效應與反應速率之間的關聯(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。此外，研究團隊對含聯(lián)吡啶配體的絡合物 13 進行單晶分析，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是實現高反應效率的核心因素。
圖 5. 探究吸電子氟取代基對催化劑立體控制能力的影響
在不對稱氮賓轉移反應的催化劑篩選過程中，研究團隊發(fā)現在環(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)絡合物，相較于未取代的類似物，普遍表現出更優(yōu)異的對映選擇性控制能力。例如，銥(III)絡合物6f催化生成產物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。為探究其內在機制，研究團隊對相應的氯絡合物6f-Cl和6m-Cl進行了單晶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中對應距離分別為3.64 Å和3.82 Å。這一結果明確表明，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的反應位點，從而使四氟取代的絡合物6m在氮賓轉移反應中實現了更優(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結構參數的改變：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，導致Ir−C鍵變長；與此同時，手性配體仍與金屬中心保持強螯合，使其遠端茚基更接近氯離子。其次，氟取代基導致的σ給電子能力降低也減弱了反位效應，引起Ir−Cl鍵縮短，從而使氯離子(即反應中的活性位點)更靠近金屬中心及C^N配體的茚基部分。這些結構證據共同表明，在手性C^N配體中引入吸電子基團可通過精細調控銥絡合物的空間位阻和電子效應，增強銥絡合物在催化反應中的立體控制能力。
圖 6. Ir(III) Pincer絡合物催化不對稱合成γ-內酰胺
圖 7. Ir(III) Pincer絡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，研究團隊不僅高效實現了多種取代γ-內酰胺的不對稱合成(圖6)，更在構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，該反應成功合成了一系列手性八氫吲哚酮衍生物，為復雜手性雜環(huán)分子的構筑提供了有力工具。
圖 8. 催化劑回收試驗和產物衍生化
基于銥(III)絡合物優(yōu)異的穩(wěn)定性，研究團隊進一步開展了催化劑回收實驗。如圖8a所示，反應結束后，手性銥(III)絡合物7和6m經鹽酸溶液處理，可分別以中性形式的8和6m-Cl高效回收。此外，在催化劑負載量降至0.01 mol%的條件下，仍可實現46%的收率和89%的對映選擇性，對應TON達4600(圖8b)。最后，所合成的產物16a通過一系列衍生反應，包括鈀催化的芳基化、N-磺酰化、硫化及還原反應，實現了高效轉化(圖8c)。
研究團隊成功開發(fā)了一類新型手性Ir(III) Pincer絡合物。該類絡合物具有制備簡便、結構高度可調的特點，同時兼具優(yōu)異的穩(wěn)定性與高催化活性。通過構效關系研究，團隊揭示了三齒C^N^C配體(負責保障穩(wěn)定性)與雙齒C^N配體(通過反位效應提升催化性能)之間的作用機制，這一研究為相關催化體系的開發(fā)提供了重要的理論依據和設計思路。上海交通大學馬佳佳副教授為該論文通訊作者；上海交通大學博士研究生楚云鵬和徐振輝為論文共同第一作者。該項工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和上海市科委面上項目的經費支持。
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