JACS：“理论计算组合拳”揭示双金属协同催化中的色散和空阻效应

立体发散双金属协同催化是近年蓬勃发展的手性合成策略。该方法使用一对手性催化剂分别控制新键两端立体构型，能够一次性构筑相邻手性中心、可达到完全立体发散，最近还实现了动态动力学拆分、轴手性构筑、非相邻手性中心构筑等重要转化。遗憾的是，双金属协同催化的理论研究相对落后。这是因为双催化体系的手性识别高度复杂、中间体/过渡态结构过于庞大、牵扯到众多微妙的结构形变和难以区分的相互作用。这使得双金属催化的计算化学研究面临计算量、建模难度等方面的重重困难，日前的理论研究也相当局限。

近日，天津大学党延峰特聘研究员与加州大学Houk教授共同在J. Am. Chem. Soc. 发表长文，运用量子力学计算研究了铜/钯、铜/铱不对称协同催化的分子机制 (图1)。

图1. 非天然氨基酸的双金属协同催化不对称合成

作为常用的手性亲核中间体，铜亚甲胺叶立德 (Cu-AY) 在双金属不对称催化中应用广泛、表现甚好，具有突出的优势和代表性。那么，为什么Cu-AY型亲核体能够如此广泛地适用于各类双金属不对称催化体系？究竟是什么结构特征导致了它优异的不对称诱导能力？这背后的原则是否有可能用于指导未来的催化剂筛选/设计？带着这些问题，作者重点研究了王春江教授团队在2017-2018年先后报道的铜/钯、铜/铱协同催化的非天然氨基酸合成，其氨基酸产物的α-构型取决于Cu-AY物种以哪一面 (Re或Si) 进攻烯丙基络合物，相应立体控制过渡态的结构在图2-3中给出。

图2. 铜/钯协同催化机理模型

图3. 铜/铱协同催化机理模型

面对过渡态中众多微妙而难以区分的结构形变与相互作用，作者探索出了一套由非键作用可视化、能量拆分、物理有机参数、预反应复合物模型等构成的“理论计算组合拳”。实践表明，这套多维度的立体化学分析能够很好地区分两种典型的立体诱导因素——色散作用和空间位阻。作者发现，在这些看似雷同的过渡态中，携带α-前手性中心的Cu-AY物种能够灵活地利用色散/位阻这两种本质完全不同的效应，实现α-位点的立体控制。

• 色散引力控制：在铜/钯协同催化中，作者发现Cu-AY物种通过Si面进攻时丰富的色散相互作用控制立体化学。如图4所示，Si面进攻过渡态CuPd-TS1_si和CuPd-TS2_si具有更大的色散相互作用能和更高的表面接触面积，能较好地实现手性识别，造成显著的Si面选择性。

•空间位阻控制：在铜/铱协同催化中，作者发现α-立体构型受到位阻的影响 (图5)。虽然Cu-AY物种同样偏好Si面进攻，但对有利过渡态CuIr-TS2_si和不利过渡态CuIr-TS2_re的分析表明，两者色散引力并没有明显区别。事实上，此时起到不对称诱导的是Re面不利的空间位阻，这是因为π-烯丙基铱物种与Cu-AY Re面的i-Pr基团存在冲突，而Re面进攻也因此不如Si进攻有利。

图4. 铜/钯协同催化的过渡态分析

图5. 铜/铱协同催化的过渡态分析

这些多样的不对称诱导机制，究竟是巧合，还是有其深层原因呢？其作用机理是否和Cu-AY物种优异的立体控制存在关联呢？作者认为，立体诱导的多样性可能与Cu-AY物种巧妙的结构编排有着密切联系。如图6所示，该Cu-AY物种的Si面存在π-平面芳环结构，能很好地支持色散吸引作用，而Re面则包含一个具有凸出位阻的i-Pr基团，阻碍了该面的进攻。这样一来，即使有时Si面的色散作用不能起到应有的效果 (如分子表面形状不匹配时)，Re面的空间位阻仍可造成显著的立体选择性，反之亦然。作者也发现，若Si面的手性识别和Re面的空间位阻被同时利用，色散引力和空间位阻可以共同参与立体控制、造成更大选择性。作者猜想，这些理论可能解释了各类双金属催化体系中Cu-AY物种优异的不对称诱导能力，也为其化学结构的理解与优化提供了思路。

图6. 铜亚甲胺叶立德物种的结构

综上，本研究通过量子化学计算与多维度立体化学分析，揭示了铜/钯、铜/铱双催化非天然氨基酸不对称合成的立体诱导机制，探索了亚甲胺叶立德普适性与优异性的可能来源和结构基础，为复杂协同双催化体系的立体化学分析提供了方法和思路。

这一成果近日发表在J. Am. Chem. Soc.上，本研究得了到国家自然科学基金面上项目（No. 22073067）等资助，论文通讯作者为天津大学党延峰特聘研究员与加州大学洛杉矶分校K. N. Houk院士，论文第一作者为天津大学/南开大学联合培养本科生李勃同学。

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）：

Dispersion and Steric Effects on Enantio-/Diastereoselectivities in Synergistic Dual Transition Metal Catalysis

Bo Li, Hui Xu, Yanfeng Dang,* and K. N. Houk*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.1c12664

导师介绍

Houk

https://www.x-mol.com/university/faculty/843