山东大学王瑶课题组近期重要工作概览

王瑶教授简介

王瑶，山东大学杰出中青年学者、化学院教授、博士生导师。2006年获兰州大学化学专业理学学士学位，2012年获兰州大学有机化学专业理学博士学位（导师：许鹏飞教授）。2011年1月起优博计划留任兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室从事科研工作，在洪堡科研奖学金的支持下，2013年1月起在德国马普分子生理学研究所从事博士后研究，2015年加入山东大学开展超分子催化方向的研究工作，研究成果主要发表在Acc. Chem. Res.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.等期刊上，获Thieme Chemistry Journals Award、国家优秀青年科学基金。

王瑶课题组近期研究聚焦于非传统σ/π-hole硫键和碳键催化，发展了高活性催化剂，建立了新催化模式，解决了一些合成中存在的反应性和选择性问题，这些研究结果拓展了弱作用力的研究边界，为认识这些非传统作用力提供了新知识。

（一）硫键催化模式的发展

传统上，含有二价硫属元素的有机物通常被认为是路易斯碱。与这种认知相反，调研蛋白质晶体数据库可以发现普遍存在S‧‧‧O弱吸引作用，其中硫原子是电子受体，这种硫键作用能够稳定蛋白质的特定构象。从合成的角度来看，一个有意义的设想是利用这种进化的力量来催化化学反应。王瑶课题组对硫键催化进行了系统的研究（Acc. Chem. Res. 2023, 56, 608−621）。该课题组发展了高活性的PCH硫键催化剂，提出并实现了硫属元素相互作用催化模式 (图1，chalcogen-chalcogen bonding catalysis, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 9175-9179)，Se‧‧‧O作用催化实现了吲哚衍生物和1,3-二羰基化合物的组装反应，其中一个产物晶体是CCDC第100万个晶体，该工作被JACS编辑团队推荐为ACS Editors' Choice（相关介绍参见JACS期刊的发展历史http://jacs-timeline.org  ）。

图1. 硫属元素相互作用催化模式 (chalcogen-chalcogen bonding catalysis)

为了提高硫键催化效率并解决部分化学反应中存在的反应性和选择性问题，该课题组发展了双硫键催化策略 (图2，dual chalcogen-chalcogen bonding catalysis, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 3117-3124)。双Se‧‧‧O弱作用可以催化Rauhut−Currier反应，因此实现了从强路易斯碱共价催化到硫键弱作用催化的模式转变，更有意义的是，这种催化策略能够解决传统强路易斯碱催化途径无法解决的反应性以及选择性问题。

图2. 双硫键催化策略 (dual chalcogen-chalcogen bonding catalysis)

该课题组发展的部分硫键催化剂晶体结构显示存在S‧‧‧π与Se‧‧‧π弱作用，这为研究硫属元素‧‧‧π体系弱作用催化提供了启示。该课题组进一步提出并验证了硫属元素和π体系弱作用催化模式 (图3，chalcogen‧‧‧π bonding catalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 9395-9400)，实现了环加成反应中的立体选择性控制。

图3. 硫属元素‧‧‧π体系弱作用催化模式 (chalcogen‧‧‧π bonding catalysis)

利用弱作用来活化碳氢类有机分子是超分子催化领域所面临的主要瓶颈。例如，如何用弱作用来活化烯烃是一个有待解决的典型问题，该课题组发展了一个高活性催化剂，并实现了Se•••π弱作用催化的烯烃偶联与环化反应 （图4，Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202203671)，这项研究工作实现了两方面突破，一方面是实现了过渡金属到弱作用催化模式的转变。作者研究发现Se•••π弱作用在催化分子间烯炔环化反应方面可以比Rh更高效。另一方面是弱作用能实现强路易斯酸无法完成的反应。由于涉及到连续的化学选择性以及不同烯烃的反应性问题，可控的三分子烯烃偶联反应还没有实现，研究发现Se•••π弱作用可以解决选择性与反应性问题，实现传统强路易斯酸无法完成的三分子烯烃偶联反应。

图4. Se•••π弱作用催化烯烃的偶联与环化反应

对于一个超分子催化体系，如果催化剂和底物均存在多个作用位点，经过排列组合会有多种可能的作用模式。在这种情况下，如何识别催化反应中的活性超分子物种是一个需要迫切解决但难度非常大的研究议题。该课题组发展了分子对照策略来识别复杂硫键催化体系中的活性物种，并实现了硫键催化的环加成反应 (图5，Nat. Commun. 2022, 13, 3563)。 

图5. 分子对照策略识别复杂超分子体系中的活性催化物种

（二）碳键催化模式的发展

涉及亲电碳中心的化学反应是有机合成的重要组成部分。在理论上，亲电性碳原子和电子供体之间可以形成碳键弱相互作用。尽管这种碳键作用可以在晶体结构中观察到，然而，碳键催化的化学反应还没有实现。该课题组首次提出了碳键催化模式，即利用催化剂碳中心和电子供体形成的定向弱相互作用来驱动化学反应（图6，Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 22717-22721）。为了证明碳键催化模式的普适性，作者利用碳键作用来活化羰基、亚胺以及缩醛，实现了碳键催化的Diels-Alder、oxa-Pictet-Spengler和 Povarov 反应。为了进一步展示碳键催化的潜力，作者利用碳键催化实现了尾到头的萜烯环化反应。由于该反应涉及不稳定的碳正离子中间体，通常会生成多种产物，作者通过碳键相互作用来控制碳正离子的反应性，进而有选择性地生成了特定萜烯环化产物。

图6. 碳键催化模式的发展

（三）碘叶立德-路易斯碱卤键作用模式的反应研究

对碘叶立德类化合物的理论研究表明，在碘原子的外部存在σ-hole，因此，碘叶立德可以作为卤键供体 (参见Struct. Chem. 2016, 27, 927–937)。受理论研究结果启发，该课题组发展了碘叶立德-路易斯碱卤键作用模式的反应，实现了三类基于胺的新化学反应，包括：(1) 碘叶立德–芳胺环化反应；(2) 碘叶立德–芳胺卤键复合物的烯烃碳胺化反应；(3) 碘叶立德–脂肪胺环化反应 (图7, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3792-3796; Org. Lett. 2019, 21, 2923-2926; Org. Lett. 2020, 22, 230-233)。 

图7. 碘叶立德-路易斯碱卤键作用模式的反应

以上为王瑶教授课题组近期重要工作概览，该课题组长期开放博士后和科研助理岗位，欢迎对其研究方向感兴趣的同学联系。