第二配位层中氢键控制的过渡金属催化

编审：Thor，Dysonian

1. 氢键的基本原理

（1）简单HBs的定义和特点

表1. 基于文献中[X-H…Y]氢键相互作用的基本特征@ ACS Publications

氢键可以理解为共价键合，即正极化氢原子与电负性原子之间的吸引相互作用。在其简单的形式中，HB可以写成X−H···Y，其中X代表供体，Y代表受体。供体X必须具有更多的电负性，受体Y必须富含电子，并且通常包含来自原子或阴离子的一对孤电子。简单HB的强度取决于X和Y的性质，当X吸电子能力更强或Y电子密度更大时，HB就会加强。在其最极端的形式中，氢键相互作用的结果可以是质子转移反应，其中供体通过形式上的高价向受体提供质子[X− H−Y]物种。

（2）影响HB作用的因素

影响X−H···Y HB相互作用能的最直接的方式是调整X和/或Y的电子性质。一般来说，对于更强的HB，X必须更吸电子，Y必须更富电子。X和Y的性质可以通过选择原子的方法来部分调节。供体原子的杂化及其进一步的化学环境也会对 X-H 供体中 H 的静电势产生很大影响。当 HB 在同一分子内建立时，由于没有平衡熵损失，HB 的熵分量可能会显著不同。因此，分子内HB比具有相似供体和受体的分子间 HB 更强，特别是如果供体和受体在构象刚性分子附近时会更明显。当多个HB供体和/或受体形成阵列时就会出现多价协同（如图2所示），多价协同作用已被用于生成基于HB组装体的多种结构，并已被用于制造超分子聚合物。

（3）HB用于控制第二配位层

HBs在金属络合物中、配体构建块之间或配体与底物之间的存在可通过多种技术表征，包括X射线分析、NMR和IR光谱。通常，参与氢键的氢原子的信号在NMR光谱和IR光谱中都会发生位移，HB受体的情况也是如此。这些信号可以用作探针，通过滴定研究，可以确定所用条件下的HBs强度。第二配位域中的HB在很大程度上控制活性和选择性，通常通过将催化结果与控制实验进行比较来获得此信息。但这种方法尚未用于评估超分子双齿配体或通过底物定向操作的超分子催化剂系统。

2. 氢键超分子多齿配体

双齿配体在大多数均相过渡金属催化反应中会产生更高的活性和选择性。然而，制备多样的双齿配体库通常需要繁琐的合成工作。因此可以使用通过非共价相互作用原位自组装成超分子双齿配体。在不同的非共价相互作用（如配位键和离子键）中，氢键被广泛使用，基于几个明显的特性，包括（a）可预测性，（b）方向性，（c）动态键，（d）可调性，以及（e）各种HB供体和受体可控合成。导致了近几十年来基于氢键的超分子双齿配体的快速发展。

（1）使用单个HB的超分子配体：仲膦氧化物：仲膦氧化物（SPO）是弱酸，易发生互变异构由五价膦变成三价次膦酸 (PA)。金属配位可以形成金属-次膦酸配合物，与磷和氧配位的能力为这类化合物的单核和多核配合物创造了丰富的配位化学。目前SPO配体在金属配合物催化体系主要用于氢甲酰化反应、加氢反应、氢转移反应、腈水合反应、氧化反应以及偶联反应等。

膦-亚磷酰胺单HB体系：2009年，Reek及其同事报道了由单个HB形成的超分子异双齿配体的形成。如图3所示，基于亮氨酸的亚磷酰胺配体含有强极化的 N-H，当与铑中心配位时，它与脲官能化膦配体的羰基形成HB。

（2）使用多个HB的超分子配体：脲基超分子双齿配体：Reek课题组报道的基于脲作为自互补氢键基元的超分子双齿P-供体配体。如图4，5所示，两类膦配体构建块的组装，允许在钯和铑络合物存在的情况下形成氢键螯合结构。在手性诱导体系中，底物与配合物的尿素部分之间的HBs是对映异构体选择性高的主要原因。

6-DDPon配体： 6-DPPon可通过DA/AD形成二聚体的吡啶酮/羟基吡啶互变异构体HB阵列形成超分子双齿配体。超分子双齿配体的形成是由单体与金属中心的配位驱动的。目前，6-DDPon 配体在氢甲酰化反应和加氢反应中得到广泛的应用。

（3）异双齿配体6-DPPAP和3DPPICon。Breit团队开发了基于氨基吡啶/异喹诺酮的超分子杂双齿配体，在铑催化的末端烯烃氢甲酰化反应中显示出更高的线性/支链选择性（如图5所示）。选择性来自配体的双齿特性和配合物的官能团与水底物的相互作用。 

      （4）基于其他HB基元的配体。基于一个或两个HBs的超分子双齿配体可以为多种催化转化反应提供选择性催化剂。基于AAAA-DDDD阵列的基元将提供最强的相互作用。为了形成基于HB更大阵列的超分子双齿配体，探索了肽链的应用。肽链通过金属中心向产物进行手性转移。

3. 通过氢键进行底物取向

金属催化转化通常发生在金属中心。底物在金属中心的取向在选择性决速步中起着重要作用。金属中心处的底物取向取决于金属中心周围的配体环境，也可以通过“导向基团”与金属中心的配位来实现。最近，底物官能团和催化剂官能团之间的氢键已被用作实现底物合理取向的策略，从而控制反应的选择性。底物和催化剂官能团之间的氢键相互作用是底物定向的理想选择。

图7. 比较可以形成 HB 相互作用的底物（蓝色）与不能形成 HB 相互作用的底物（红色）的反应路径的中间体的相对能量。@ ACS Publications

（1）不对称氢化：如图6所示，Reek团队基于尿素 C=O 和亚磷酰胺 N-H 之间的单个 HB 形成超分子二齿配体，这些配体的铑配合物以非常高的对映选择性转化2-羟基甲基丙烯酸甲酯及其衍生物。DFT计算结果（如图7所示）表明，在起始络合物中形成HBs的反应途径是有利的。如图8所示，张绪穆团队通过第二个配位域中的氢键来控制底物。他们开发的基于二茂铁二膦和硫脲HB基元的配体的Rh−双膦−硫脲络合物是铑催化挑战性反应β，β-二取代硝基烯烃不对称氢化的优良催化剂。因此，在第二配位域中，底物和催化剂之间的氢键，仅次于底物配位，在实现高选择性催化方面发挥重要作用。

图9.加氢甲酰化反应的机理 @ ACS Publications

（2）催化氢甲酰化：氢甲酰化反应通常涉及金属催化的CO和H₂与烯烃的加成反应（如图9所示），Reek和Breit团队证明，第二配位域中底物和催化剂之间的氢键也可用于获得选择性氢甲酰化催化剂。该循环从CO解离开始，随后烯烃配位形成烯烃−铑氢化物络合物。因此，在第二配位域中通过氢键固定底物可能会阻止其中一些旋转，从而导致更具选择性的氢甲酰化催化。

（3）C−H 活化：控制C-H活化反应的选择性特别具有挑战性，因为通常分子中存在几个相似的C-H 键并且它们不是电子活化的。Kanai团队开创了氢键方法，他们探索了尿素官能化2,2′联吡啶（bpy）配体的作用，如图10所示。HBs在底物的酰胺官能团和尿素基元之间形成。在氢键络合物中，底物被预先安排选择性C-H 活化。研究还表明，氢键会导致催化反应加快，并且配体的联吡啶部分存在，官能团可以进一步优化配体。此外，还有很多不同类型的配体被用于活化C-H键，均取得很好的效果。

（4）自由基型卡宾和氮烯转移反应: 金属卡宾和氮烯自由基是钴（II）催化剂介导的各种自由基型卡宾和硝烯转移反应的重要中间体。实现催化剂中结构基元与底物之间的氢键相互作用是控制这些反应活性和（对映）选择性的有效方法。配体骨架上的供体是对映选择性自由基反应的有力催化剂。这种反应通常依赖于关键中间体独特的电子结构和与催化剂第二配位域中HB部分的超分子相互作用的组合。

（5）氧化催化中的氢键：氢键相互作用有助于在氧化催化中实现特定位置的反应性。如Crabtree和Brudvig开发的超分子锰催化剂通过该羧酸与底物形成氢键相互作用，将目标苄基位置定位在靠近反应性双核Mn-oxo位点的位置（图11）。

（6）光催化：光化学反应，如光诱导电子转移（PET），以及最近的三重态能量转移（EnT）。因为光环加成等光化学反应可在一步中生成多个立体中心。一个主要挑战是光催化涉及高反应性的中间体，这些中间体通常遵循单分子弛豫途径，导致快速失活。如基于铱（III）和钌（II）的光敏剂显示出高活性和由于其高能和长寿命的三重态，是PET的高效光催化剂和EnT的光敏剂。

（7）烯丙基取代：钯催化的烯丙基取代反应是有机合成的关键反应。钯烯丙基配合物由钯配合物和具有适当离去基团的烯烃底物生成。在该反应中应用手性配体可以形成具有非常高对映选择性的产物，配体官能团之间的氢键亲核试剂可以使亲核试剂定向，可以更好地控制选择性。在Hayashi等人的一篇早期论文中，报道了一种带有悬挂羟基的双膦二茂铁配体。该配体提供了一种具有显著对映体选择性的钯配合物，在1，3-二羰基化合物的烯丙化反应中，被认为是配体的羟基和亲核试剂之间氢键的结果（图12）。

图12. 基于DPPF的含悬挂羟基的配体通过HB的形成来引导亲核性。@ ACS Publications

传统上，均相催化的发展涉及制备可用于某种化学转化的新型过渡金属配合物。这种配合物所具有的活性和选择性是配合物中配体和金属性质相互作用的结果。控制催化剂性能的其他策略涉及第二配位层，HBs通常具有足够的强度和方向性，在这种情况下是非常有用的交互。在这篇综述中总结的使用HBs桥接两个配位体，这两个配位体与金属中心配位，从而有效地形成超分子双齿配体，以及使用HBs控制底物。超分子双齿配体具有典型的双齿行为，导致对第一配位层的控制。异源双齿配体能够生成更大的双齿库。在配体系统和底物之间利用HBs可以使底物相对于金属中心更精确地定向，这对于制备选择性催化剂非常有利。

Joost N. H. Reek, Bas de Bruin, Sonja Pullen, Tiddo J. Mooibroek, Alexander M. Kluwer, and Xavier Caumes. Transition Metal Catalysis Controlled by Hydrogen Bonding in the Second Coordination Sphere, Chemical Review .2022

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00862

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