山东大学王瑶教授团队实现硫属元素–π体系弱相互作用催化

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。与这种传统认知相反，调研蛋白质晶体数据库可以发现二价硫可以作为电子受体，例如S∙∙∙O以及S∙∙∙π弱相互作用普遍存在于蛋白质结构中，这种进化的力量为蛋白质折叠以及蛋白质-蛋白质/配体相互作用提供了稳定作用。对这种反“直觉”的相互作用的一种合理解释是在硫属元素外部、沿共价键键轴的方向上存在正电性区域（σ-hole），因此，二价硫属元素也可以作为电子受体与路易斯碱形成σ-hole弱相互作用。一个有意义的设想是如何利用这些进化的力量来推动化学反应的运转。

山东大学王瑶教授团队致力于研究用σ-hole以及π-hole弱相互作用来催化化学反应。在σ-hole弱相互作用催化方面，该团队前期研究发现了高活性硫键催化剂并对其作用机制进行了阐释，提出并实现了硫属元素相互作用（S∙∙∙O与Se∙∙∙O）的催化模式（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 9175）；实现了双硫键弱相互作用催化，为化学反应的设计提供了一条新思路（J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 3117）；最近，该团队进一步实现了硫属元素–π体系弱相互作用催化，相关论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.。

为了研究硫属元素–π体系弱相互作用催化，作者首先设计并合成了系列催化剂，通过单晶衍射以及核磁共振实验研究了这些催化剂和π体系之间的弱相互作用。催化剂的晶体结构显示这类硫键供体不仅能和π体系形成分子内的相互作用，也能够形成分子间的S•••π以及Se•••π弱相互作用（图1）。与蛋白质中观察到的硫和苯环弱相互作用方式一致，人工合成的硫键供体也和苯环存在两种截然相反的作用方式，一种是硫作为电子供体从接近与苯环共平面的位置与苯环进行吸引作用，另外一种是硫作为电子受体从苯环平面上或平面下与苯环的π电子云进行吸引作用。核磁共振实验进一步支持此类催化剂和各种π体系之间存在弱相互作用。

图1. 催化剂晶体结构中的硫/硒和苯环弱相互作用

为了验证硫属元素–π体系弱相互作用催化模式的可行性，作者选择了烯基吲哚的Diels-Alder反应为研究对象，结果证明S•••π以及Se•••π之间的弱相互作用作为驱动力可以实现这个环加成反应。对不同催化剂的研究发现双Se•••π作用能够在显著提高反应性的同时控制反应的立体选择性（图2）。与之形成显著差异的是，系列单齿催化剂均显示出了活性低，而且单Se•••π作用无法有效控制反应的立体选择性（<3:1）。作者用系列实验验证了双Se•••π催化机制，并且实验结果表明π-π作用在控制反应立体选择性方面起了重要作用。兰州大学周盼盼副教授对催化剂-底物复合物进行了DFT计算，结果表明双Se•••π作用形成的催化剂-底物三元复合物比单Se•••π作用的复合物更容易生成。

图2. 双Se•••π弱相互作用催化

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章第一作者是山东大学硕士研究生孔祥金，该工作得到了国家自然科学基金以及山东省自然科学基金的经费支持。

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Chalcogen•••π Bonding Catalysis

Xiangjin Kong, Panpan Zhou, Yao Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202101140