研究论文介绍

四川大学冯小明和刘小华团队JACS: 钴配合物催化烯烃的不对称环氧化反应

作者:石油醚

导读:

四川大学冯小明刘小华教授团队(ASL)长期致力于研究手性双氮氧催化剂以及不对称环氧化反应,近日,他们设想利用手性双氮氧配体提供一个弱配体场作用,可以形成较高自旋态的、较为稳定的高价金属钴氧物种,且该配体能够提供良好的手性环境,以实现简单烯烃的不对称环氧化反应。

该研究成果发表于J. Am. Chem. Soc. (DOI:10.1021/jacs.3c05476),四川大学博士研究生何倩雯(实验部分)和副教授蒲茂坪(理论计算部分)为本文共同一作。冯小明院士、刘小华教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金(22188101)的大力支持。

“Asymmetric Epoxidation of Alkenes Catalyzed by a Cobalt Complex

Qianwen He, Mao-Ping Pu, Zheng Jiang, Hongyu Wang, Xiaoming Feng*, and Xiaohua Liu* J. Am. Chem. Soc. 2023.ASAP. Doi: 10.1021/jacs.3c05476

正文:

烯烃的不对称环氧化反应是合成手性环氧化物的一种最重要的方法,在这些方法中,源于酶促氧化反应的3d过渡金属Fe/Mn的催化剂引起了很多关注(图1a)。手性Mn-O和Fe-O催化剂也已被发展为仿生氧化体系,实现了一些不对称环氧化和其他氧化反应。然而,通过高价Co-O配合物中间体催化的环氧化反应却由于“oxo wall”而难以实现。简而言之,该理论是指充满更多价电子的后过渡金属钴的d轨道更加明显排斥氧配体,使Co-O变得更加不稳定。因此,只有很少的例子提出Co(IV)=O作为活性物质催化氧化反应(图1a,Kochi报道)。近年来,对高价Co-O的合成和表征又有了一些新的进展(图1b),这些研究揭示了开发用于不对称环氧化的手性多齿配体Co-O配合物的前景。要实现不对称环氧化的催化体系从金属铁和锰配合物扩展到钴配合物,并实现不对称环氧化反应,选择足够稳定并能够稳定钴氧物种的配体非常重要。四川大学冯小明刘小华教授团队(ASL)长期致力于研究手性双氮氧催化剂以及不对称环氧化反应,他们设想利用稳定的手性双氮氧配体提供一个弱配体场的作用,可以形成较高自旋态的、较为稳定的高价金属钴氧物种,且能够提供良好的手性环境,以实现简单烯烃的不对称环氧化反应(图1c)。

图1 研究背景

在条件筛选中,作者发现大位阻的手性双氮氧配体可以取得很好的对映选择性。在该配体作用下,作者进行了底物拓展,一系列环状三取代烯烃和开链的烯烃底物都可以取得较好结果,如图2所示。

图2 底物拓展

在H218O存在下进行的实验监测到18O标记的环氧产物(图3a)。它表明了氧原子发生氧转移过程是通过钴催化剂催化实现的。为了进一步追踪Co-O物种的形成,作者进行了高分辨率质谱(HRMS)分析、紫外-可见吸收光谱和磁矩测量实验(图4)。高分辨质谱给出一个直观的证据证明高价Co-O的生成,和重氧水的氧交换实验也佐证了该结论。紫外可见光谱中可以监测到620 nm的活性中间体的吸收峰,进一步说明了高价钴氧的形成。磁矩测量的实验中测得手性双氮氧/Co配合物中金属钴为S=3/2的中间自旋态,这与推测的氮氧配体配位下较高自旋的金属钴配合物的推测一致,也说明了手性双氮氧配体的重要性。

图3 重氧水氧交换实验和高分辨质谱

通过DFT计算进一步阐明了Co-O物种的形式是[CoIII(O·−)]互变异构体。此外,对照实验、非线性效应实验、动力学研究和DFT计算揭示了反应的机理和对映选择性起源(图 5)。

图5 DFT计算

总之,该工作报道了以PhIO为氧化剂的手性钴催化简单烯烃的不对称环氧化的第一个例子。该方法实现了各种三取代烯烃的不对称环氧化反应。该催化体系在机理上不同于酸活化亚碘酰苯的Mn+-PhIO络合物。基于HRMS、紫外-可见吸收光谱、磁矩测量、同位素标记实验以及DFT计算表明,反应是通过PhIO氧化Co(II)配合物,生成手性高价钴氧物种中间体,对烯烃进行氧转移得到手性环氧产物。该方法成功的核心是使用手性双氮氧配体,其提供弱配体场相互作用,导致中间自旋Co-O物种的形成。此外,大位阻的酰胺部分引入配体导致较高的对映选择性。其他机理研究,包括立体选择性研究,非线性效应研究,动力学实验和DFT计算进一步解释了不对称环氧化的机理和对映选择性的起源。该手性Co-O配合物不仅为三取代烯烃的不对称环氧化提供了新的催化体系,也对经典的手性双氮氧/金属配合物作为路易斯酸催化体系是一个很大突破,对仿生催化中高价钴氧体系的研究发展而言也是一个巨大的里程碑。

(冯小明院士和刘小华教授团队供稿)

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