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南开大学化学学院朱守非课题组在铁催化区域选择性可调的炔烃硅氢化反应和手性质子梭催化剂研究方面取得新进展，相关成果均发表于化学领域顶级期刊J. Am. Chem. Soc.上。
朱守非课题组：铁催化区域选择性可调的炔烃硅氢化反应
铁在地壳中含量丰富、廉价易得、生物相容性好，因此发展铁催化的反应受到越来越多的关注，并取得了一些重要进展。但是，由于现阶段发展的适用于铁的配体类型有限，已报导的铁催化剂在活性、选择性、底物类型、官能耐受性、催化剂稳定性等方面还存在诸多问题，大多无法与稀有金属催化剂相媲美，鲜有实际应用。而且由于铁中间体的稳定性差、氧化态丰富、自旋态复杂多变，人们对于铁催化剂结构表征方法有限，对铁催化反应机理研究进展缓慢，特别是对于开壳层铁催化剂自旋态对反应活性和选择性影响的规律认知极为有限，这严重制约了铁催化剂和铁催化反应的发展。发展适用于铁的新型配体骨架，发现新的铁催化反应，深入理解铁催化反应机理，特别是揭示铁催化剂自旋态对其催化性能的影响规律具有重要研究价值。前期，朱守非课题组首次将2,9-二芳基取代的邻菲罗啉配体用于过渡金属催化的反应，发现该类配体和铁的络合物能够高效催化多种烯烃硅氢化、脂肪端炔的二次硅氢化等反应，表现出和已有铁催化剂截然不同的反应性和选择性（Nature Commun.2018, 9, 221;J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 4579）。最近该课题组又成功将2,9-二芳基-1,10-菲啰啉配体的铁配合物催化剂用于多种端炔和内炔的硅氢加成反应中，表现出很高的催化活性（转化数高达35500，转化频率高达35.5s-1）、单一的顺式加成选择性和优异的区域选择性（图1）。更有意思的是，该铁催化剂通过简单改变配体2,9-位芳基取代基就能使反应的区域选择性发生完全逆转：对于芳香端炔、脂肪端炔、芳基烷基内炔、烯基烷基内炔甚至非对称双烷基取代的内炔，当配体2,9-位为2,4,6-三取代芳基时，硅基主要加成到炔烃位阻较小的一端，而当配体2,9-位为3,5-二取代芳基时，硅基则主要加成到炔烃位阻较大的一端，大多数情况下区域选择性都高达98%以上。这一现象在铁催化反应中罕有报道，也为理解铁催化剂的工作原理提供了绝佳机会。![]()
该反应从易得的炔烃底物出发，可高效、高选择性地合成二取代或三取代的烯基硅化合物，结合碳硅键易于转化的性质，为在温和条件下大量制备有用的二取代烯烃和三取代烯烃提供了一种高效的方法，显著提高了多种生物活性化合物的合成效率（图2A）。由于产物烯基硅中有两个Si-H键，可通过硅氢化反应合成含硅聚合物，表明该反应在材料领域有一定的应用潜力（图2B）。![]()
同位素标记实验表明，加成到炔烃上的硅基和氢都是来自同一硅烷，这说明该反应不可能经历Fe-H或者Fe-Si启动的氧化还原中性的过程，更有可能是经历了2e的氧化还原过程（图3A）。动力学同位素实验表明该反应中氢转移过程很可能是决速步（图3B）。![]()
进一步的DFT计算研究表明，铁催化硅烷向炔烃的配体到配体的氢转移过程在三重态下能量最低（图4a），在铁催化剂促进的硅烷向炔烃的氢转移过程中，配体的芳基取代基通过影响底物与催化剂的轨道重叠程度，进而实现了反应区域选择性的调控（图4b）。![]()
图4区域选择性调控机理（角度为Fe-N-N平面和Fe-C-C平面的二面角）总之，该研究拓展了铁催化剂的应用范围，展示了铁催化反应的潜力，为新型有机硅试剂的合成提供了有效方法，同时深化了铁催化反应的机理认识，对发展开壳层催化剂，发掘开壳层催化剂独特的催化性能具有重要启发意义。相关成果发表于J. Am. Chem. Soc.（https://doi.org/10.1021/jacs.0c09083），论文第一作者为胡梦阳博士。![]()
水是工业过程中广泛使用的化学物质，它便宜、安全、可回收。然而，尽管在过去的半个世纪里，不对称催化领域取得了重大进展，在催化对映选择性反应中使用水作为底物的报道却很少，这可能是由于水分子体积小，在很多有机溶剂中溶解度差，容易致使手性催化剂失活等原因所致。过渡金属催化卡宾对映选择性插入水的O-H键反应可以使水分子转化到产物的手性中心，但只有当α-芳基-α-重氮酯作为卡宾前体时，文献中所报道的手性催化剂才有良好的效果。朱守非课题组最近使用非手性双铑络合物和手性磷酸或手性磷酰胺的协同催化体系，实现了α-烷基-α-重氮酯和α-烯基-α-重氮酯作为卡宾前体与水的O-H键的不对称插入反应，对大多数底物都给出了较高的收率和优异的对映选择性（图1和图2）。该反应具有活性和对映选择性高，官能团耐受性广，条件温和等特点，为手性α-烷基-α-羟基酯和α-烯基-α-羟基酯的合成提供了一种新的高效方法。该反应也成为少数几个以水为底物的高对映选择性催化反应。![]()
图1α-烷基-α-重氮酯衍生的卡宾对水O-H键的不对称插入反应![]()
图2α-烯基-α-重氮酯衍生的卡宾对水O-H键的不对称插入反应由于该O-H键插入反应的产物富含易于转化的官能团，因此可以用于在多种生物活性化合物的不对称合成中（图3）。![]()
机理研究表明，磷酸的加入能够显著降低烯醇中间体质子转移的能垒，促进反应向O-H键插入的方向进行，从而抑制了β-H迁移等竞争性副反应，保证了反应的良好收率（图4）。磷酸和磷酰胺作为质子梭催化剂促进了烯醇中间体的高对映选择性1,2-和1,3-质子转移反应，质子转移反应过渡态分子轨道最大重叠需求是质子梭催化剂参与该过程的原始驱动力（图5）。![]()
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上述工作是朱守非课题组手性质子梭催化剂研究的延续，一方面展示了手性质子梭催化剂良好的普适性和对含水体系具有良好的耐受性，另一方面，也进一步揭示了手性质子梭催化剂可以通过促进质子转移过程抑制副反应，过渡态分子轨道最大重叠需求是手性质子梭催化剂参与烯醇到酮式转化过程的原始驱动力。这些发现拓展了手性质子梭催化剂的应用范围，并加深了其工作机制认知。相关成果发表于J. Am. Chem. Soc.（2020, 142, 10557-10566），论文第一作者为博士生李游。来源 | 南开大学 编辑 | 化学加
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