Chem. Soc. Rev.：第一过渡系金属催化的不对称氢化

不对称氢化反应是具有重要工业应用价值的催化过程，在构建手性小分子的方法中占据着重要一席。长期以来，以钌铑铱为代表的铂系金属配合物在不对称氢化中有不可替代的地位。由于具有较高的晶体场稳定化能，4d、5d过渡金属配合物一般处于低自旋态，具有稳定的电子排布和较高的稳定性。贵金属配合物在均相催化氢化中具有很高的活性。相比之下，3d过渡金属自旋态相对复杂，而且电子过程的倾向十分明显，因此常用于贵金属的催化体系往往不能够直接套用在同族的3d过渡金属上。化学家们需要针对第一周期过渡金属的性质，从头进行配体和催化体系的设计。随着贵金属价格的剧烈波动和可持续发展战略的推广，对于廉价金属在催化化学应用的需求越来越强烈，将廉价金属代替贵金属已经成为一个热点话题。南方科技大学的温佳琳（点击查看介绍）、张绪穆（点击查看介绍）团队总结了第一过渡系金属在不对称氢化、不对称转移氢化反应中的应用实例，针对反应机理和手性诱导模型进行了归纳，该文章发表在Chemical Society Reviews上。

图1. 三种均相不对称氢化机理。

不对称氢化的机理，无论贵金属还是廉价金属，基本可以分为一下三类（图1）：（1）经典内球机理，以Rh(I)Rh(III)为代表，特点是底物与金属的配体，一般包含迁移插入、还原消除和氧化加成等基元反应；（2）经典外球机理，以Ru(II)催化酮还原为代表，特点是底物和金属没有配位，也不涉及金属价态的变化，氢负离子直接转移到不饱和双键上；（3）σ-复分解机理，这一类相对少见，特点是底物与金属虽然配位，但是氢气活化不是经过氧化加成，而是经历了一个四元环过渡态，产物释放和活性金属氢物种的再生在一步完成。本文按照不同底物类型，总结了对于含C=C、C=O和C=N键化合物的不对称氢化，着重探讨反应机理以及不同金属之间的共性和区别；对于机理比较清楚的催化体系，作者根据文献和自己的经验提出了手性诱导模型。

对于C=C键的不对称氢化，钛、钴、镍是比较成功的三重金属。二茂钛催化的不对称氢化主要经历了σ-复分解机理，对于非官能团化的烯烃具有一定的效果。钴可以表现出和同族的铑相似的反应模型，比如Co/P-P体系，和经典的Wilkinson/Osborn催化剂比较类似，可以作用于官能团化的烯烃；同时也可以和三齿配体配位，催化不对称氢化反应，作用于非官能团化的烯烃。镍的表现和同族的钯比较类似，都是低自旋态的Ni/P-P配合物，反应机理以氢负离子转移为主。

对于C=O键的不对称氢化，对于锰、铁、镍、铜的研究相对较多，催化机理也基本类似，都涉及到氢负离子转移的机理。无论是直接氢化还是转移氢化，氢负离子转移步骤都是一样的，区别在于金属氢化物的再生，是由氢气活化还是其他氢供体提供（图2）。对于锰和铁，多齿手性配体广泛应用。除手性配体和氢负离子之外的配位点，往往由一氧化碳等配体占据。对映异构选择性可以由配体骨架和末端集团的修饰来调控。而镍和铜往往利用双齿膦配体实现对于酮类化合物的不对称氢化，考虑到手性膦配体商业化很高，因此配体的选择范围也很广泛。

图2. 直接氢化和转移氢化中活性氢物种的形成

对于C=N键的不对称氢化，内球和外球机理均有涉及。考虑到C=N的极性介于C=C和C=O键之间，某些应用于C=C键氢化的体系和某些应用于C=O键氢化的体系可以使用到该类底物中，如二茂钛、铁的多齿配合物、钴和镍的双膦配合物等。

最后作者对3d金属催化的不对称氢化反应提出了展望：或者避免高自旋态带来的麻烦，或者利用金属-配体协同作用来加以利用。

本文作者为南方科技大学研究助理教授温佳琳、博士研究生王芳元和讲席教授张绪穆，通讯作者为温佳琳和张绪穆。该小组此方向项目获得国家自然科学基金、广东省催化重点实验室和深圳市科创委的大力支持。

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）：

Asymmetric hydrogenation catalyzed by first-row transition metal complexes

Jialin Wen, Fangyuan Wang, Xumu Zhang

Chem. Soc. Rev., 2021, 50, 3211-3237, DOI: 10.1039/D0CS00082E

导师介绍

温佳琳

https://www.x-mol.com/university/faculty/81339 

张绪穆

https://www.x-mol.com/groups/zhang_xumu