热点研究

「Spotlight Research」催化剂中心金属电荷性质控制产物构型的手性诱导新机制

作者:石油醚

本期热点研究,我们邀请到本文第一作者来自东华大学的博士研究生李旻昊王泽溟一起为我们分享。

2023年10月2日,Chem期刊在线发表了来自东华大学左伟伟教授团队题为「Metal Charge-Directed Enantiodivergent Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones」的研究论文。通常一种构型的配体所组成的催化剂只能制备一种构型的产物,当需要合成相反构型的产物时,以往的策略是通过构型相反的配体及相应的催化剂去构建,而合成手性配体的过程往往是步骤比较繁琐的,且不够经济和环保。但是在该文中,他们在利用胺-亚胺双膦3d金属(铁、钴、镍)配合物催化芳基烷基酮的不对称转移氢化反应时,发现了一种诱导产物产生手性的新机制。

Metal Charge-Directed Enantiodivergent Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones

Minhao Li, Zeming Wang, Hong Chen, Qing Huang & Weiwei Zuo*,

Chem, 2023, doi: 10.1016/j.chempr.2023.09.004

Q1. 请对“Metal Charge-Directed Enantiodivergent Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones一个简单介绍。

自然界中绝大多数具有药物活性的受体都是有手性的,如何构建手性分子一直是现代有机合成化学、生物化学及药物化学等学科研究的热点问题。手性过渡金属催化剂催化酮、亚胺的不对称氢化反应是构建手性分子的重要手段。虽然过渡金属催化剂催化的不对称反应已经取得巨大进展,但是该类催化剂手性配体的利用效率仍有提升空间。对于催化不对称氢化反应中产物的手性产生过程及机制,目前普遍的共识是:催化剂中的手性配体首先在中心金属周围建立一个手性环境,在决定产物构型的关键过渡态中,底物与手性环境之间的相互作用决定了最终产物的构型及e.e.。然而,作为催化剂核心的过渡金属,其本身物理化学性质在诱导产物建立手性过程中的作用一直被忽视,至今未被探索。我们报道了一种诱导产物产生手性的新机制:与现有的认识不同,在单一构型手性配体的存在下,催化剂中间体(氨基金属氢化物)中心金属电荷性质是决定产物醇的构型及选择性的根本因素。产物构型及e.e.与中心金属Hirshfeld电荷存在线性关系,而与中心金属的种类、氧化态及自旋态无关。基于该机制,利用3d金属丰富的电子结构性质,使用单一构型手性配体,仅依靠添加不同的非手性金属盐制备不同的预催化剂即可同时获得构型相反的两种产物。这避免了传统不对称催化反应中需要使用相反构型配体的过程,直接提高了配体在产物手性诱导中的使用效率。

Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢?又是怎样克服的呢

遇到的困难主要在于如何在催化剂中间体中心金属和产物手性之间建立联系,如何捕捉和表征顺磁金属催化剂的中间体,以及涉及到高低自旋态的钴催化剂的DFT计算方法。

解决方法主要是多看文献、多与老师交流想法,大胆提出假设,通过不断地尝试去验证,一步步逼近最终想要的结果。除此之外,我们两个在科研上相互帮助,生活上相互鼓励,一起面对和克服遇到的各种困难,发挥各自的优势,相互配合完成了论文的各项工作。

Q3. 本次研究主体,有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢?

一方面是较长周期的零成果对自己的心态造成了影响,尤其是看到周围同学科研周期短出成果快,毕业压力增大导致对自己课题的未来比较迷茫,看不到课题的终点在哪里,有时候都要放弃了又咬牙坚持了下来,感觉这条路能坚持走下来特别辛苦;

另一方面是许多测试表征手段都是现学现用,时间紧任务重,有的甚至都没有参考文献指导,也不知道去哪里能完成测试,只能自己去恶补相关知识,联系各种平台资源,发邮件请教专业人士,这种对完全陌生领域的探索过程比较烧脑。

Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢?

金属有机和配位化学方向,但是希望是在反应方法学上能有所突破,设计一些新的配体去完成一些新反应,不要拘泥于一种反应类型。

Q5. 最后,有什么想对各位读者说的吗?

基础学科的研究过程往往是枯燥乏味且漫长的,我们要沉下心来脚踏实地的干,除了具有良好的心理素质,耐得住寂寞,还要多读文章、多听报告、多交流来提升自己的科学素养。此外,在实验过程中不要放过任何一个小细节,尤其是针对反常的现象和结果要反复验证、仔细推敲,结合自己所学知识分析原因,在看似杂乱无章的现象中寻找其中蕴含的规律,不要浮于表面去走马观花式搞科研,要深挖现象背后的原理,寻找科研的真谛。

在此要特别感谢左伟伟教授在整个论文工作中的悉心指导和点拨。左伟伟教授2013年在Morris教授课题组工作时以一篇Science开启了廉价金属催化的新纪元,刷新了科研界对廉价金属的认识,回国后继续保持谦虚谨慎不骄不躁的作风,他身上扎根科研、敢想敢做、一丝不苟、泰定求真的精神是值得我们一直学习的。他常常教导我们:肯吃苦,能吃苦,但不提倡一味的埋头苦干;多思考,学无止境,永远要对未知事物保持好奇心和敬畏心;你对待科研的态度决定了你能到达的高度,你思考问题的角度决定了你所涉猎知识面的广度。

作者教育背景简介

李旻昊(左) 王泽溟(右)
博士 东华大学,先进制造(金属有机催化方向) 博士 东华大学,化学
硕士 河北工业大学,有机化学 硕士 河北工业大学,有机化学
本科 燕山大学,应用化学 本科 德州学院,化学

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