導(dǎo)語
“金屬-配體”復(fù)合物在反應(yīng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其手性對映體純的形式在不對稱催化反應(yīng)中表現(xiàn)出卓越的應(yīng)用潛力。在眾多的手性配體中，少數(shù)幾種配體因其出色的多功能性而備受關(guān)注。其中Feringa研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的以BINOL為核心的手性亞磷酰胺配體，在過去幾十年中表現(xiàn)出廣泛的催化適用性，成功應(yīng)用于共軛加成、烯丙基取代及交叉偶聯(lián)等多種重要反應(yīng)。
盡管該領(lǐng)域已取得重大進(jìn)展，但基于貴金屬和亞磷酰胺配體的手性非均相催化劑的開發(fā)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，手性配體的改性和固定化通常會引發(fā)顯著的空間位阻效應(yīng)，進(jìn)而影響催化活性和反應(yīng)選擇性；另一方面，如何有效抑制金屬浸出，避免催化劑失活，仍然是亟待解決的關(guān)鍵問題。
近日，哈工大深圳陳芬兒院士團(tuán)隊(duì)游恒志教授課題組通過調(diào)控配位模式，成功開發(fā)了一種負(fù)載型手性單銥位點(diǎn)催化劑。該催化劑在保持高對映選擇性的同時，顯著降低了金屬浸出率，極大提升了催化穩(wěn)定性，為手性非均相催化劑的研究提供了新思路。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv. Synth. Catal.（DOI:?10.1002/adsc.202401602）。
前沿科研成果
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）陳芬兒院士團(tuán)隊(duì)游恒志教授課題組通過調(diào)控銥催化劑的配位陰離子，使其在Z構(gòu)型保持的不對稱烯丙基取代反應(yīng)中表現(xiàn)出卓越的催化性能。相比于傳統(tǒng)均相催化劑，該催化劑能夠在14個循環(huán)后仍保持優(yōu)異的催化活性，同時金屬浸出率僅為20.8%。這一突破不僅提高了催化劑的可回收性，也展現(xiàn)了其在工業(yè)可持續(xù)催化中的潛在應(yīng)用價(jià)值。
盡管在“Rh和Pd-亞磷酰胺”復(fù)合物的固載領(lǐng)域已取得顯著進(jìn)展，但針對Ir-亞磷酰胺體系的研究仍相對匱乏。Pericàs教授課題組于2023年開發(fā)了一種負(fù)載的非均相亞磷酰胺銥催化劑，然而該體系仍面臨嚴(yán)重的金屬浸出問題，需要在每個催化循環(huán)中添加20%的Ir催化劑，這極大限制了該催化劑的可回收性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為解決這一問題，本文作者通過優(yōu)化配體與金屬銥的配位模式（單配位vs雙配位），增強(qiáng)催化劑的配位穩(wěn)定性，從而顯著降低金屬在催化循環(huán)過程中的浸出，提高催化劑的回收效率和使用壽命（如圖1所示）。
圖1 不同“貴金屬-亞磷酰胺”復(fù)合物及其應(yīng)用（圖片來源：Adv. Synth. Catal.）
由于Z-烯烴在熱力學(xué)上的相對不穩(wěn)定性，其合成面臨巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在實(shí)現(xiàn)高對映選擇性的情況下更具難度。因此，作者選擇Z構(gòu)型保持的不對稱烯丙基取代反應(yīng)作為模板反應(yīng)，以評估所設(shè)計(jì)的非均相催化劑的實(shí)際應(yīng)用潛力。首先，在均相條件下底物N-甲基色醇和Z-肉桂基三氟乙酸酯以 [Ir(cod)Cl]?/Carreira作為催化劑、In(OTf)?作為促進(jìn)劑、CHCl?作為溶劑，成功生成了目標(biāo)產(chǎn)物。對于非均相催化劑，PS-CAT-Ir-Cl在相同條件下實(shí)現(xiàn)了70%的產(chǎn)率和82%的e.e.，表明負(fù)載后的催化劑活性水平相似。相比之下，雙取代非均相催化劑M2-Ir-Cl的性能與均相催化劑相比較低。令人欣喜的是，在相同條件下，用TfOˉ代替Clˉ作為配位陰離子后，PS-CAT-Ir-OTf和M2-Ir-OTf催化劑的性能均有所提升。在綜合考慮反應(yīng)產(chǎn)率和對映選擇性后，催化劑PS-CAT-Ir-OTf脫穎而出，表現(xiàn)出最優(yōu)的催化性能，產(chǎn)率為84%，e.e. 為86%（如表1所示）。
表1 催化劑的條件優(yōu)化
（圖片來源：Adv. Synth. Catal.）
作者接著對催化劑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)。IR圖像揭示了催化劑PS-CAT-Ir-OTf中存在對應(yīng)于單體M1的獨(dú)特吸收帶，包括1600、1490、957、752、701和549 cmˉ1處的信號峰。XPS顯示，與M1相比，PS-CAT-Ir-OTf的P 2p結(jié)合能發(fā)生了1.1 eV的變化，Ir 4f光譜也證實(shí)了帶正電荷的Ir的存在。TEM圖像中未觀察到金屬銥簇或納米級顆粒，EDS圖像證實(shí)了元素Ir、P和N在PS-CAT-Ir-OTf中均勻分布，AC-HAADF-STEM圖像顯示銥原子在PS-CAT-Ir-OTf中作為單個銥位點(diǎn)均勻分散（如圖2所示）。
圖2. 催化劑PS-CAT-Ir-OTf和單體M1的結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)（圖片來源：Adv. Synth. Catal.）
催化劑PS-CAT-Ir-OTf在連續(xù)14次循環(huán)使用后，反應(yīng)產(chǎn)率僅比首次實(shí)驗(yàn)降低了20%，對映選擇性依然保持在77%，14次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后金屬浸出率為20.4%。而催化劑PS-CAT-Ir-Cl催化的反應(yīng)產(chǎn)率和對映選擇性均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，反應(yīng)的產(chǎn)率從第1次循環(huán)實(shí)驗(yàn)的70%逐步下降到第6次的23%，特別是在第3次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后下降幅度顯著加劇，6次實(shí)驗(yàn)后金屬浸出率80.4%（如表2所示）。
表2 非均相催化劑的循環(huán)回收實(shí)驗(yàn)
（圖片來源：Adv. Synth. Catal.）
基于優(yōu)化的反應(yīng)條件，作者開展了底物拓展研究實(shí)驗(yàn)。將PS-CAT-Ir-OTf應(yīng)用在Z構(gòu)型保持的不對稱烯丙基取代反應(yīng)中，表現(xiàn)出了廣泛的官能團(tuán)兼容性和廣泛的底物耐受性，對不同電子效應(yīng)和空間構(gòu)型的底物均有較高的耐受性。供電子和吸電子基團(tuán)、鹵素、以及雙取代基的引入，均未顯著降低催化效果，以可觀的產(chǎn)率和對映選擇性得到了目標(biāo)產(chǎn)物（如圖3所示）。
圖3 底物拓展實(shí)驗(yàn)（圖片來源：Adv. Synth. Catal.）
作者開發(fā)了一種非均相手性單銥位點(diǎn)催化劑，通過調(diào)控銥催化劑的配位陰離子從而改變配位模式，從而增強(qiáng)復(fù)合物的穩(wěn)定性并有效降低了金屬浸出。該催化劑在Z構(gòu)型保持的不對稱烯丙基取代反應(yīng)中展現(xiàn)出卓越的對映選擇性和廣泛的底物適用性。經(jīng)過14次循環(huán)使用后，PS-CAT-Ir-OTf僅有20.8%的金屬銥浸出，相較于現(xiàn)有報(bào)道的類似催化劑，表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性提升。鑒于當(dāng)前單金屬銥位點(diǎn)催化劑在不對稱催化領(lǐng)域的應(yīng)用較少，該策略為制備高效、可回收的非均相手性催化劑提供了一條創(chuàng)新路徑。
聶教授
