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▲第一作者：衡丹

通讯作者：蓝宇；白若鹏

通讯单位：重庆大学

论文DOI：10.1021/acscatal.0c05554

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双核金属催化是过渡金属催化偶联反应的一类重要模式。本文报道了一类非常规的双核Rh(III)活性催化物种，并以α,β-不饱和酯远端芳基化反应为模板对其催化活性进行了理论研究，详尽解释了其独特的区域选择性。

背景介绍  

           

           

铑是现代均相催化中最常用的过渡金属之一，经常用于C(sp²)–H键活化和官能化反应等。目前，常用的Rh(III)和Rh(I)催化剂前体，例如[Cp*Rh(III)Cl₂]和[Rh(I)LnCl]₂[L = coe or cod]等，均为二聚物，在使用时必须加入银盐等添加剂，释放出配位不饱和的活性单核铑络合物参与催化过程。而在已有的双核铑催化反应报道中，往往都是双核二价铑参与反应，而一价或者三价活性双核铑物种鲜有报道。  

我们基于前期研究，提出在不加入添加剂的情况下，常规双核Rh(I)催化剂前体可以在不解聚的情况下直接催化反应。类似于双核Rh(II)物种，在反应过程中，由于缺乏强配体和强Lewis酸，故双核构型在整个催化循环中保持不变，且两个铑原子不等价。反应中仅有一个铑原子作为活性催化中心，而另一个铑原子不直接参与反应，但可以通过自身周围配位环境调节活性铑原子周围空间结构，进而影响反应(图1)。

▲图1 铑催化双核催化剂前体的活化模式  

图文解析  

           

           

为了详细研究单核和双核机制，我们选取南京大学史壮志教授的铑催化α,β-不饱和酯的远端末端芳基化反应为模板，对双核Rh(III)活性催化模型和区域选择性调控过程进行了详细的理论研究(图2)。在验证我们提出的非常规的双核Rh(III)活性催化模型的同时，我们也计算了单核Rh(I)/Rh(III)催化循环过程作为对照。在单核路径中，coe(环辛烯)配体与铑中心配位；在双核路径中，氯原子作为一个桥联配体来稳定铑原子。对于整个反应，单核和双核机理的路径是相似的。首先吲哚的C7–H键氧化加成到低价Rh(I)物种I上，生成芳基-Rh(III)氢化物中间体II。同时，在我们的理论研究中也考虑了C2-H键的氧化加成可提供四元环异构体   II'   。当中间体   II   形成时，戊烯酸酯   R2   中的C=C双键插入Rh-H键，既可以通过1,2-插入产生烷基三价铑中间体   III   ，也可以通过2,1-插入产生烷基三价铑中间体   IV   。这两个中间体可以经过相应的芳基-烷基还原消除得到   α   -芳基化产物   Pα   或   β   -芳基化产物   Pβ   。此外，烷基三价铑中间体   IV   还可以通过   β   -氢消除形成烯烃配位的铑-氢化物络合物   V   ，其可以经历反转的烯烃插入以形成   γ   -烷基三价铑中间体   VI   。   可以通过相应的还原消除来形成   γ   -芳基化产物   Pγ     。此外，铑还可以通过另外一个     β   -氢消除和烯烃插入而在   δ   -碳原子上行走，从而生成中间体   VIII   。末端芳基化产物   Pδ   可通过相应的还原消除而形成。在实验中，   Pδ   是主要产物。在我们的理论计算中，我们集中在研究双核和单核机理中区域选择性的产生(图2)。      

▲图2 单核或者双核路径的竞争过程  

我们首先对双核路径进行了计算(图3)，证实反应首先会生成双核Rh(I)-Rh(III)催化物种，并完成第一次催化循环。随后，由于会生成热力学更稳定的Rh(III)物种，另一个Rh(I)会进行第二次氧化加成，通过双核Rh(III)-Rh(III)路径完成剩余催化循环。对关键的还原消除过渡态38-ts，39-ts，40-ts和41-ts的几何结构信息以及独立梯度模型(IGM)分析表明，当发生相应的还原消除时，酯基和铑中心之间不存在相互作用。这主要是因为三价铑中心与两个桥连的氯原子配位已经满足16电子规则。因此，该反应的区域选择性由烷基的位阻效应控制。由于末端烷基最小并且位阻效应也最弱，所以端位还原消除过渡态41-ts的相对吉布斯自由能在整个催化循环中最低。对过渡态的IGM分析也表明，在过渡态38-ts，39-ts和40-ts中，烷基与铑中心周围的配体之间也存在明显的排斥作用。因此，预测的通过端位还原消除过渡态41-ts形成的α,β-不饱和酯的δ-芳基化产物是主产物，结论与史壮志教授等人实验观察到的现象一致。

▲图3 双核Rh(III)-Rh(III)路径的吉布斯自由能分布图  

作为对比，我们同时对单核路径进行了计算，并对对应还原消除过渡态的几何构型以及相对吉布斯自由能进行了分析。结果表明，在单核路径中，酯基α, β, γ, δ-位还原消除过渡态的相对吉布斯自由能分别为是28.9，26.8, 29.0和30.5 kcal/mol，表明还原消除的生成酯基β位芳基化产物是最有利的。这一结果主要是因为当铑催化剂处于烯烃β位时，酯基配位形成的五元环环张力较低，抑制还原消除的能力较弱。根据该结果，如果单核路径发生，则不饱和酯β位芳基化应该是整个反应的主产物。然而，在实验中，观察到的主产物是δ位芳基化产物Pδ。因此，单核路径与实验结果不符，可以排除单核路径的可能性。从另一个角度分析，我们发现在双核路径中生成δ位芳基化产物的还原消除过渡态41-ts的相对吉布斯自由能是21.2 kcal/mol，明显低于单核路径中的这些过渡态。因此不管从区域选择性的产生以及过渡态的能量分析，双核路径都是动力学上有利的，而单核路径却是不利的。

▲图4 单核路径的吉布斯自由能分布图  

为进一步探究单核铑催化路径中过渡态能量升高的原因，我们对不同还原消除前中间体的空间效应进行逐一分析。从这些中间体的结构可知，酯基和三价铑中心均存在配位，这主要是为了满足16电子规则得到稳定中间体。然而，这也导致了中间体和还原消除过渡态的捆绑效应，导致环张力的存在，而计算发现五元环具有最低的捆绑效应。因此，在单核路径中，难以形成δ-芳基化产物Pδ。我们也考虑了将酯基从铑中心解离得到相应的四配位14电子中间体，但过渡态的相对吉布斯自由能都比酯基配位导致形成16电子铑物要高，说明酯基解离是热力学不利的过程(图8)。而在双核催化路径中，由于双核二聚体的存在，重要中间体均满足16电子规则，且不存在捆绑效应，因此，双核催化路径具有额外的稳定性，是其成为优势路径的根本原因。

▲图5 单核路径中，α, β, γ和δ-还原消除过程中的环张力和捆绑效应  

总结与展望  

           

           

本文以铑催化α,β-不饱和酯的远端末端芳基化反应为模板，对我们提出的非常规的双核Rh(III)催化机制进行了详细研究。我们的研究表明，当无外加添加剂的情况下，常规双核Rh(I)催化剂前体可以在不解聚的情况下直接催化反应。反应过程中两个铑原子都会被氧化为Rh(III)，但两个铑原子不等价：其中一个经历Rh(I)/Rh(III)循环催化反应进行，而另一个并不直接参与反应，而是通过调节活性铑原子的配位环境来影响反应的区域选择性。我们相信，这一研究成果是对铑催化机制的重要补充和完善，能够对当下铑催化交叉偶联反应机制研究提供新的思路。  

这一成果近期发表在ACS Catalysis上，文章的第一作者是重庆大学2018级硕士研究生衡丹，通讯作者为白若鹏助教授和蓝宇教授。以上工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金、青年基金以及理论与计算化学重庆市重点实验室的支持。