协同促反应，量化揭本质：东北师范大学关威课题组近年来工作进展

关威，东北师范大学化学学院副教授，博士生导师；于2003年、2008年分别获得东北师范大学理学学士和理学博士学位，同年留校工作；2009年至2014年先后在中科院长春应化所稀土资源利用国家重点实验室、日本京都大学福井谦一纪念研究所作为博士后开展多酸功能材料化学和金属有机催化的理论研究工作。近年来以第一作者和通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.、ACS Catal.、Chem. Commun.、Organometallics等杂志发表论文近30篇。参编《量子化学计算方法在多酸化学中的应用》一书。主持和完成国家自然科学基金面上项目、青年基金、教育部博士点基金以及吉林省科技发展计划项目等10项。

目前，利用协同催化实现单催化所不能或者难以触发的惰性键活化与偶联反应已经成为有机领域一种非常强大的合成策略。然而协同作用的本质却鲜为人知，这极大限制了协同催化剂的进一步优化。近五年，关威课题组主要致力于协同催化作用机制的研究，充分发挥理论计算的可靠性和前瞻性，力图为未来协同催化剂的设计、合成和改性，乃至构筑新型化学键的相关反应提供理论指导。研究内容包括：（一）金属−有机和多金属协同催化惰性C−C键活化机制；（二）新型有无可见光调控分子间双金属协同催化的 C−C、C−X (X = O; N; S等) 交叉偶联反应机制。本文重点介绍该课题组取得的阶段性成果：

（一）金属-有机和多金属协同催化惰性C-C键活化机制的研究

惰性化学键的活化及其在有机合成中的应用研究被誉为“化学中的圣杯”（Holy Grails of Chemistry）。目前，为了克服单催化模式低选择性和低收率的缺点，新型的协同催化策略正受到越来越多的重视，其主要利用金属−有机和金属−金属之间的协同作用来促进甚至实现惰性化学键的活化反应。例如，过渡金属/Lewis酸双催化体系可以高选择性活化C−C键从而合成多种有机腈化合物，并符合高原子经济效率的追求。此外，多核金属化合物因其多金属中心的协同效应，在活化具有σ键和离域π键的惰性键方面备受关注。基于此，明确其协同作用本质是一个亟待解决的问题。

（1）镍/Lewis 酸催化 C−CN 键选择性活化反应的协同机制

该课题组运用密度泛函理论对镍/Lewis酸协同催化C−CN 键选择性活化的系列反应（邻芳羧基苄腈衍生物与炔烃的脱氰[4+2]环加成反应、多氟芳腈的炔烃插入反应、炔烃的氰氨甲酰化和氰酯化反应等）进行机理研究，并揭示了镍/Lewis酸协同催化体系对活化C−CN 键的选择性和催化作用的本质。研究指出三种促进反应的有效途径：(a) Lewis酸与底物氰基作用使C−CN σ* + π*反键空轨道能量降低，从而提高Ni(0) 3d_π占据轨道到 σ* + π* 空轨道的电荷转移，加速C−CN氧化加成步骤的进行；(b) Lewis酸强的吸电子特性增强了镍与炔烃的配位能力从而形成热力学有利的五配位镍(II)氰基羧酸化合物来加速炔烃的插入；(c) Lewis酸的引入在明显降低 C−CN 键活化能垒的同时可抑制其他竞争活化反应从而达到选择性活化 C−CN 键的目的（图1）（ACS Catal., 2015, 5, 1; Organometallics, 2017, 36, 4713; Organometallics, 2018, 37, 2594）。

图1. （a）镍/Lewis酸协同催化邻芳羧基苄腈与炔烃的脱氰[4+2]环加成反应；（b）镍/Lewis酸协同催化的氰酯化反应；（c）镍/Lewis酸协同催化炔烃的多氟芳腈化反应。

（2）三核钛金属氢化物活化苯分子碳碳键的两态反应机制

该课题组选择三核钛氢化合物(Cp'Ti)₃(μ₃-H)(μ-H)₆活化苯分子中惰性C−C键生成2−甲基环戊烯基钛氢化合物的反应为研究对象，运用量子化学计算方法深入研究其惰性C=C键活化和重排反应机理，并提出了一种新颖的“两态反应机制”。研究发现，“两态反应机制”是通过最小能量交叉点（MECP）和电子态转换过程（EST）实现基态反应势能面从交错的三重态和反铁磁单重态到闭壳层单重态的转变，从而有效降低反应活化能垒，使反应在温和条件下得以顺利进行的（图2）。同时，他们揭示了三核氢化钛中氢负离子和三核钛金属的协同作用本质：活泼的氢负离子有利于打破苯分子的共轭性，从而使部分C−C π键转变成σ键；而钛金属对C−C σ键活化起到决定作用（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 11069）。

图2. 三核钛金属氢化物活化苯分子碳碳键反应势能面示意图

（二）新型有无可见光调控分子间双金属协同催化的C-C、C-X (X = O; N; S等) 交叉偶联反应机制

双过渡金属协同催化的交叉偶联反应极大地提高了化学家创造复杂碳基化合物的可能性。尤其将可见光促进的光氧化还原催化和金属镍催化结合起来，在各种C−X（X= N; O; S等）键交叉偶联方面取得了突破性进展。然而，由于该类反应机制存在诸多争议，制约了其进一步发展。

（1）镍/钯双金属协同催化Ullmann交叉偶联的反应机制

首先，该课题组运用量子化学计算方法深入研究镍(II)/钯(II)双催化溴苯和4−甲氧基苯基三氟甲烷磺酸酯的Ullmann交叉偶联反应机理，进而揭示镍/钯双催化作用所呈现出的“正交选择性”和“交叉选择性”的内在本质。研究指出，在镍/钯双催化作用中，镍(I)为主催化剂，钯(0)催化剂决定此反应的交叉选择性。反应最优路径包括四个关键的基元步骤：镍(I)选择性活化C−Br键生成镍(III)中间体，钯(0)选择性活化C−OTf键生成钯(II)中间体，镍(III)与钯(II)中间体之间的转移金属化芳基迁移到镍(III)中心和还原消除（图3）（Chem. Commun., 2018, 54, 7959）。

图3. 镍/钯双催化溴苯与4−甲氧基苯基三氟甲烷磺酸酯的Ullmann交叉偶联反应的机理

（2）铱(III)/镍(II)金属光氧化还原催化作用机制的理论研究

随后，该课题组又以光介导的铱(III)/镍(II)双催化作用实现的C−O和C−S键交叉偶联反应为研究对象，运用量子化学计算方法和荧光猝灭实验深入研究其可能的价态调节、自由基以及能量转移反应机制，明确含氮有机碱对此反应起促进作用的本质，同时揭示 C−O和C−S交叉偶联高选择性的起源。研究发现，相比于还原淬灭光循环的价态调节、自由基以及能量转移机制，结合了氧化淬灭光循环（*Ir^III−Ir^III−Ir^IV−Ir^III）和镍催化循环（Ni^II−Ni^I−Ni^III−Ni^I−Ni^II）的价态调节机制更为优势（图4）。其中，有机碱通过参与质子耦合电子转移过程可避免高能的配体交换步骤，从而有效加速反应的进行。在质子转移过程中，碱中的N原子和醇类底物的H−(O)或者H−(S)原子之间存在的强氢键作用控制C−O和C−S的高选择性偶联（Chem. Commun., 2018, 54, 5968; ACS Catal., 2019, 9, 3858）。

图4. 氧化淬灭光循环（*Ir^III−Ir^III−Ir^IV−Ir^III）和镍催化循环（Ni^II−Ni^I−Ni^III−Ni^I−Ni^II）结合的价态调节机制

至此，笔者简要介绍了关威课题组的系列研究成果。这些工作充分发挥了计算化学在研究化学反应进程中解释和预测的重要作用，从理论上揭示了系列惰性键活化与偶联反应的机理及其内在的协同作用机制，有望为未来设计开发新颖、高效、廉价的协同催化体系以及新型交叉偶联反应等方面提供理论指导。

导师介绍

关威

https://www.x-mol.com/university/faculty/31099