有机柔性配体在不对称烯烃氢硼化反应中

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作者:邵慧玲,SumanChakrabarty,戚孝天,JamesM.Takacs,刘鹏催化剂配体的合理设计是现代有机金属催化的主要发展方向之一。然而,由于催化反应常包含多个基元步骤,而配体的电子及位阻效应对不同基元步骤会产生不同的影响。这意味着柔性配体可以在复杂的金属催化反应中变化不同构型以在不同反应步骤中同时提高反应活性并调控反应选择性(图1a)。内布拉斯加大学林肯分校的JamesTakacs课题组最近将TADDOL-衍生的亚磷酸酯柔性配体(T1)应用于铑催化1,1-二取代芳基烯烃的不对称硼氢化(CAHB)反应中(图1b),T1配体的高柔性七元杂环骨架存在两种不同的构型(图1c)。当T1配体与金属Rh配位时,较稳定的类椅式构象(T1_chair)会提供一个相对开放且平均的空间环境。而T1配体以类船式构象(T1_boat)配位到金属中心时,其中一个芳香官能团(Ar4)会指向金属中心并形成一个提供一个相对封闭且不对称的空间环境。为了更好理解柔性配体在不对称催化反应中的作用,匹兹堡大学的刘鹏课题组与JamesTakacs课题组对铑催化CAHB反应机理展开了系统研究。刘鹏课题组的计算结果表明CAHB的最优反应路径包含1)B-H氧化加成得到Rh(III)中间体12;2)烯烃迁移插入Rh-H(TS10)得到五元铑环状中间体13;3)C-B还原消除(TS14)得到最终产物(R)-2b。在反应过程中,C-B还原消除(TS14)是此反应的决速步骤,而CAHB反应的区域选择性由2,1迁移插入(TS10)决定。DFT计算与Takacs课题组的氘代实验相互验证且相互支持。在确认最优反应路径后,为了研究柔性T1配体对CAHB反应活性及选择性的作用,作者对反应路径上的中间体及过渡态进行了仔细的构象分析(图2)。类船式配体构象(T1-boat,蓝)在中间体12,2,1迁移插入(TS10)过渡态,以及五元Rh环中间体13中更加稳定;类椅式配体构象(T1-chair,红)在决速步骤C-B还原消除过渡态(TS14)中更加稳定。这一发现表明柔性T1配体构象在迁移插入及还原消除基元反应步骤中有所不同。为此,作者对柔性T1配体构象在此两步中的作用进行了进一步研究。如图3所示,在选择性决定步2,1迁移插入(TS10)过渡态中,类船式配体构象(TS10及TS10_S)比类椅式配体构象(TS10_R_chair和TS10_S_chair)更稳定,因为TS10比TS10_S稳定4.4kcal/mol,计算与实验观测到的选择性相吻合。通过分析TS10以及TS10_S的结构及象限图,作者发现配体-底物之间的空间排斥导致了TS10_S相对不稳定。作者进一步研究了柔性T1配体如何通过稳决速步骤C-B还原消除过渡态(TS14)以促进CAHB反应活性。如图4所示,尽管类船式配体构象(T1-boat)在中间体13中更加稳定,类椅式配体构象(T1-chair)在决速步骤TS14中更加稳定。他们发现在13_chair以及TS14(chair)中,反应物中的芳香取代基会与缺电子的Rh(III)中心发生耦合并形成η3-苄基铑复合物。在中间体13_chair中,η3-苄基配位削弱了Rh-C(benzylic)键,因此使得类椅式还原消除过渡态TS14(chair)比类船式过渡态TS14(boat)更稳定。因为η3-苄基配位需要T1_chair构象,T1配体柔性对CAHB反应活性起到了决定性作用。这一成果近期发表在J.Am.Chem.Soc.上,文章的第一作者是刘鹏课题组的邵慧玲博士,文章中的实验部分由JamesTakacs课题组SumanChakrabarty博士完成。原文(扫描或长按

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