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催化剂理性设计序章:M-H的分子内PCET —— 解读 | 专访 | 点评

副标题:吊坠状质子传递体对金属氢化物催化剂模拟物分子内质子耦合电子转移反应的加速影响


注:论文解读之后,还有X-MOL对通讯作者的独家专访,以及清华大学章名田副教授受邀对论文的专家点评。内容精彩,不容错过。


可持续的能源发展是人类社会可持续发展的一个重要前提。在生物活性酶辅因子结构启发下开发新型催化剂,有助于在人工光合作用(artificial photosynthesis)、太阳能燃料(solar fuel)以及燃料电池(fuel cell)领域实现高效的能量转化,为可持续的能源发展提供可行方案。对于天然氢化酶辅因子和人工合成催化剂,金属氢化物(metal hydride)被广泛认为是催化质子还原反应、二氧化碳还原反应以及氢气氧化反应(图1a)的关键中间体,发生在这类中间体上质子和电子同时转移的基元反应,属于质子耦合电子转移(proton-coupled electron transfer, PCET)反应(图1b)。但由于该类催化中间体对水氧敏感,稳定性弱,较难被分离捕捉,因此需要通过设计模型化合物对该类中间体PCET基元反应机理进行研究。

图1. (a)过渡金属催化氢气氧化反应为例的示意图。(b)常见推测的反应机理中金属氢化物关键中间体的质子耦合电子转移反应示意图。图片来源:Nat. Chem.


瑞典乌普萨拉大学(Uppsala University)化学系埃格斯特朗实验室(Ångströmlaboratoriet)物理化学部Leif Hammarström教授(点击查看介绍)领导的研究团队于2015年在Nature Chemistry 上首次报道了金属氢化物PCET基元反应的机理研究 [1](图2)。该团队以三羰基茂钨氢化物(CpWH(CO)3)作为催化活性中间体的模拟化合物,使用了一系列具有不同氧化电势的外加氧化剂和具有不同pKa值的吡啶衍生物作为外加碱,采用停流光谱法(stopped-flow spectroscopy)对该模拟化合物氧化去质子化反应的反应动力学进行了详细的研究。通过调控氧化剂氧化性和外加碱的碱性,他们发现该金属氢化物的分子间PCET反应在弱氧化剂条件下可以以协同电子质子转移(concerted electron-proton transfer, CEPT)的机理进行;而以通过加强外加氧化剂氧化电位的方式调控反应驱动力的时候,该模拟化合物的分子间PCET反应机理由协同机理转变为电子转移首先发生的分步电子转移质子转移(electron transfer proton transfer, ETPT)反应机理。

图2. (a)三羰基茂钨氢化物(CpWH(CO)3)的结构。(b)该钨氢化物可能的PCET机理包括:分步PTET(路径a,黑色)、分步电子转移质子转移(ETPT,路径b,红色)、CEPT(蓝色)。图片来源:Nat. Chem.


受到天然[FeFe]氢化酶辅因子结构的启发(图3a),人们将具有碱性的官能团引入催化剂的第二配位层(second coordination sphere),开发了一系列具有吊坠状质子传递体(pendant proton relays)的催化剂,以更为高效地催化质子还原、二氧化碳还原以及氢气氧化反应。详细理解该类型第二配位层具有质子传递体的结构如何具体影响催化剂金属氢化物活性中间体PCET基元反应的机理,可以为理性设计新型人工光合作用、太阳能燃料和燃料电池催化剂提供重要的理论指导。为了模拟这类天然氢化酶辅因子和人工合成催化剂的结构,Leif Hammarström教授领导的课题团队最近再一次在Nature Chemistry 上发表论文,详细解析了吊坠状质子传递体对金属氢化物催化剂模拟化合物分子内PCET反应的影响。该文第一作者为刘天飞(2014年博士毕业于中科院上海有机所沈其龙课题组)。

图3. (a)[FeFe]氢化酶辅因子(吊坠状质子受体见红色部分)。(b)具有吊坠状质子受体的钨氢化物基本结构。图片来源:Nat. Chem.


作者设计了新型的三羰基茂钨氢化物(图3b),他们将具有不同pKa的吡啶官能团通过亚甲基共价链接在络合物的茂环上,成功合成了一系列新型的第二配位层上具有吊坠状质子传递体的钨氢化物(图4)。在氘代乙腈中,通过H-NMR表征,他们观测到W-H的质子化学位移随着对应吡啶盐衍生物的pKa的增强而向低场位移,并且峰的形状随着对应吡啶盐衍生物pKa的增强而加宽,他们认为络合物在吡啶环境下形成的分子内氢键导致了该现象。作者同时通过电化学循环伏安法对不同的化合物进行表征后发现,该系列化合物可以在相比于母体化合物(CpWH(CO)3)氧化电势低得多的电势被氧化,并且氧化峰可以和pKa具有较好的能斯特线性相关,说明了反应的单电子单质子转移的机理。在文章的支持信息中,作者还对该电化学反应进行了详细的光谱电化学研究,结合DFT计算,对产物进行了详细的监控和表征。

图4. 具有吊坠状质子传递体的新型三羰基茂钨氢系列络合物结构信息以及基本合成路线。图片来源:Nat. Chem.


作者通过停流光谱法对该系列化合物氧化去质子化反应的反应动力学进行了详细的研究(图5)。作者发现,当作为吊坠状质子传递体的吡啶官能团被共价引入络合物第二配位层后,相对被引入前的分子间质子转移体系,该类型化合物所发生的分子内PCET反应的速度被大大加快,最高达到近五个数量级。通过对反应速率常数和反应驱动力相关性分析以及基元反应同位素效应的分析,作者发现当使用文中最弱的氧化剂[Fe((MeO)2bpy)3]3+时,反应的机理由分子间体系的协同电子质子转移(CEPT)机理转变为质子先转移电子后转移的分步机理(stepwise PTET);而当使用文中最强的氧化剂[Ru(Me2bpy)3]3+时,作者发现反应的机理由分子间体系的电子先转移质子后转移的分步机理(stepwise ETPT)转变为分子内体系的协同电子质子转移(CEPT)机理,并且当吡啶官能团的碱性增强时,出现了反转的基元反应同位素效应,反应的机理由协同电子质子转移(CEPT)机理转变为质子先转移电子后转移的分步机理(stepwise PTET)。作者在文章的支持信息中通过各种谱学手段对产物进行了表征和跟踪,并且根据实验数据和DFT计算相结合,进行了详细的理论分析。由此可见,当碱性强度和氧化剂强度发生改变时,基元反应PCET的机理也随之改变。

图5. PCET反应的表观二级反应速率常数与相应吡啶盐衍生物pKa值关系图。图片来源:Nat. Chem.


该工作系统地揭示了调控分子内PCET基元反应机理对催化剂优化设计的重要性,所发现的原理和规律可以被广泛应用于不同金属和配位结构的催化剂的理性设计,同时还可以在生物化学领域为酶突变实验对催化动力学的影响提供很好的理论依据。

图6. 第一作者刘天飞(右)与通讯作者Leif Hammarström(左)教授。图片来源:Hammarström课题组


Leif Hammarström教授独家专访纪要


X-MOL:


Hammarström教授您好,非常荣幸您愿意接受我们的专访。


我们的第一个问题关于“质子耦合电子转移(PCET)”这个概念。能否请您先简单介绍一下PCET?PCET反应对于催化领域的科学研究以及人工光合作用、燃料电池等领域的实际应用都有什么样的重要意义?


Hammarström教授:


很高兴能把我们的工作借助X-MOL介绍给更多的同行。


质子耦合电子转移(PCET)反应是一类广泛存在于化学、生物学和物理学体系中的基元反应。PCET反应的重要实例包括在光合作用和呼吸作用中所发生的能量转换,以及燃料电池和太阳能燃料的催化生产中发生的能量转换。此外还包括在水相中金属氧化物材料及纳米颗粒的电子转移反应。这类反应中,电子的转移和质子的转移在能量上相互耦联,因此相对应的,它们在动力学上也强烈地影响着对方。这种能量耦联可以从大家所熟知的Pourbaix图,即电化学电位和pH值相关图中看出。以金属氧化物为例:其氧化反应随着氧化物(或相应质子化后的氢氧化物)的pKa大小而改变,同时反应的电位取决于材料质子化的状态。


PCET中的电子转移和质子转移可以分步发生,或者通过一个协同反应过程发生(该过程只有一个过渡态)。协同反应机理避免了高能量中间体的形成,从而可能使反应跨过一个更低的热力学能垒。而低热力学能垒有利于实现高效的催化反应,因此在设计催化剂时,协同反应过程理应是人们所希望的反应机理。然而一个协同反应过程需要电子和质子同时发生隧穿,这可能会降低反应几率。因此向催化剂引入具有酸性或者碱性官能团可有利于质子隧穿,这在太阳能燃料催化剂的设计中成为了一个非常流行的概念。


X-MOL:


具体到最近这篇Nature Chemistry 论文,最关键的idea是如何产生的呢?


Hammarström教授:


一些实际例子表明,在催化剂第二配位层加入酸性或者碱性官能团可以加快催化反应速度。然而,造成这种加速效果的真实原因往往却并不清楚。另外,在某些例子中,所观测到加速效果已经被证明是由其他并不十分吸引人的原因造成的。我们希望弄明白加速效果背后的真正机理,证明在第二配位层加入酸性或者碱性官能团确实可以提高催化剂的PCET反应中的质子隧穿这一假设。而我们之所以选择金属氢化物作为模型反应物,是因为金属氢化物在很多燃料电池反应和太阳能燃料生产反应中都是至关重要的中间体。


X-MOL:


在这个研究课题的具体工作中,您的团队所遇到的最大挑战是什么?最后又是如何找到解决方案的呢?


Hammarström教授:


我们研究过程中的最大挑战在于寻找一种合适的金属氢化物,既足够稳定还易于表征,以便于反应的定量研究。并且,这种金属氢化物还需要能够在其第二配位层引入一系列结构相近且具有合适的pKa值的碱性官能团。在我们2015年发表的Nature Chemistry 工作中,我们已经知道了钨氢(W-H)化合物会是一类有吸引力的候选化合物,因为该化合物可以在不同的条件下分别实现分步的或者协同的反应机理。而在最近这项工作中,首先化合物的合成是一个显而易见的挑战。其次我们一开始并不确定所引入的碱性官能团是否可以和分子上的W-H形成氢键。幸运的是,我们的团队成员在实验中非常细心和努力,最终合成了所需要的化合物,并且实验进展得非常顺利,成功地获得了出色的定量分析数据。


专家点评


章名田,清华大学基础分子科学中心副教授,博士生导师。图片来源:清华大学


质子耦合电子转移(PCET)反应是化学及生物转化过程中的一类基元过程,尤其在能量转换过程中扮演了至关重要的角色。自1982年Thomas J. Meyer首次提出“质子耦合电子转移”这一概念至今,PCET已经成为目前化学领域中最被关注的基元反应之一。鉴于Tyrosine的PCET氧化在光系统II(PSII)中的关键作用,基于Phenol及其衍生物PCET氧化机制的研究在过去十年成为该领域的研究热点,并提供了关于质子耦合电子转移反应的基本认识:(1)多位点的质子耦合电子转移(multi-site PCET)过程不仅可以通过分步的途径(stepwise mechanism:ET-PT or PT-ET)进行,还可以通过协同的途径(CEPT,只有一个过渡态)发生;相比较于分步的途径,协同的途径(CEPT)有效避免高能量的中间体从而在热力学上更加有利;(2)在电子-质子协同转移的途径中,质子受体的pKa以及质子转移的有效距离对该反应动力学的影响至关重要。基于上述对质子耦合电子转移机理的认识,人们在设计水氧化析氧、水还原析氢、CO2还原以及氢气活化等分子催化剂时,在第二配位层中引入质子受体或者质子给体可以有效的提高相应的催化效率。但是,所引入的质子传递调节单元在催化过程中具体如何发挥作用并没有清晰的认识,还有待进一步深入的研究。


在该领域的最新研究报道中,Liu和Hammarström等人在该课题组前期对PCET研究的基础上,构筑了含有分子内质子受体的M-H全新PCET模型体系,围绕M-H的PCET氧化机制开展了系统的研究。该工作的重要性不仅在于进一步拓展了PCET机理研究的对象,同时也为认识和理解在水还原析氢、CO2还原以及氢气活化过程中都涉及的关键中间体M-H的PCET氧化过程提供了定量的热力学及动力学研究,对认识和理解催化过程中M-H的可控生成和氧化提供了理性的指导。同时这一研究也为M-H化学的发展也提供了新的研究思路。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Accelerating proton-coupled electron transfer of metal hydrides in catalyst model reactions

Tianfei Liu, Meiyuan Guo, Andreas Orthaber, Reiner Lomoth, Marcus Lundberg, Sascha Ott & Leif Hammarström

Nat. Chem., 2018, 10, 881–887, DOI: 10.1038/ s41557-018-0076-x


导师介绍

Leif Hammarström

http://www.x-mol.com/university/faculty/49753


参考资料:

1. Concerted proton-coupled electron transfer from a metal-hydride complex. Nat. Chem., 2015, 7, 140-145, DOI: 10.1038/nchem.2157


致谢:X-MOL感谢该论文作者对本报道的支持!感谢Hammarström教授愿意接受我们的采访!感谢章名田副教授接受邀请,对论文工作进行点评!


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