【人物与科研】东北师大关威副教授和苏忠民教授研究团队：镍/钯双金属协同催化Ullmann交叉偶联反应机制的理论研究
导语
由于两种不同催化剂间的协同效应，双催化作用已成为理想的选择。然而，对其协同作用机制及其具有高反应性和选择性的内在本质却知之甚少。近期，东北师范大学关威副教授和苏忠民教授研究团队以镍(II)/钯(II)双金属协同催化的溴苯和4−甲氧基苯基三氟甲烷磺酸酯的Ullmann交叉偶联反应为研究对象，运用量子化学计算方法深入研究反应机理，揭示了镍(I)/钯(0)与底物之间的正交选择性是实现此反应的前提和基础。而且，在此双催化作用中，镍(I)为主催化剂，钯(0)则对该反应的交叉选择性起到决定性作用。该研究成果近期发表在Chemical Communications上（Chemical Communications, 2018, 54, 7959 – 7962）。
关威副教授简介
关威副教授（右）和第一作者朱博（左）
关威，东北师范大学副教授，博士研究生指导教师。2003年本科毕业于东北师范大学化学学院，2008年博士毕业于东北师范大学功能材料化学研究所，同年留校工作。2009~2014年先后在中科院长春应化所稀土资源利用国家重点实验室和日本京都大学福井谦一纪念研究所作为博士后开展多酸功能材料化学和金属有机催化的理论研究工作。近年来以第一作者和通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., ACS Catal., Chem. Commun., Inorg. Chem., Organometallics, J. Phys. Chem., Dalton Trans.等学术期刊发表论文近20篇。参编《量子化学计算方法在多酸化学中的应用》一书。主持和完成国家自然科学基金青年基金、面上项目、教育部博士点基金以及吉林省科技发展计划项目等9项。
苏忠民教授简介
苏忠民，东北师大化学学院教授，博士生导师。致力于金属—氧簇类材料的设计与合成；光电功能材料合成与应用；功能有机分子/配合物材料的非线性光学性质和电子传输性质的理论研究，以及新型功能纳米材料结构性质研究等。苏忠民教授主持和完成国家科技部“863计划”和“973计划”项目、国家自然科学基金委重点和面上项目、吉林省科技厅应用基础项目等10项。申报国家发明专利15项。2000年以来，在Nature Commun., J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed, Adv. Mater.等期刊发表SCI学术论文340多篇。
前沿科研成果
镍/钯双金属协同催化Ullmann交叉偶联反应机制的理论研究
在前期的研究中，关威副教授和苏忠民教授研究团队探究了铱(III)/镍(II)双金属协同催化的C−O交叉偶联反应机制，明确了铱(III)/镍(II)双金属协同作用的本质，同时揭示 C−O交叉偶联高选择性的起源（Chem.Commun., 2018, 54, 5968-5971）。
近年来，利用双金属催化实现单金属催化很难或不可能进行的偶联反应已经成为有机领域一种非常强大的合成策略。例如，美国罗切斯特大学的Weix课题组在锌粉存在下利用镍(II)/钯(II)双催化实现了溴苯和4−甲氧基苯基三氟甲烷磺酸酯的Ullmann交叉偶联反应（图1）。实验结果显示，同时使用镍和钯可以高选择性地得到交叉偶联的产物，而当单独使用镍催化剂时产物则主要为自身偶联产物联苯。显然，镍/钯双催化剂与底物之间的正交选择性是实现此交叉偶联反应的必要条件。然而，由于镍/钯双催化剂具有多变可调的氧化态，导致此双催化作用机制仍不明确。这极大地限制其进一步发展。因此，东北师范大学关威副教授和苏忠民教授研究团队以该反应为研究对象，运用量子化学计算方法深入研究反应机理，从而揭示镍/钯双催化作用所呈现出的“正交选择性”和“交叉选择性”的内在本质。
图1 镍/钯双催化的溴苯与4−甲氧基苯基三氟甲烷磺酸酯的Ullmann交叉偶联反应
（来源：Chemical Communications）
在此反应中，锌作为还原剂可以将镍(II)和钯(II)还原为镍(I)、镍(0)和钯(0)。因此该工作首先研究了镍(I)、镍(0)和钯(0)分别与两种底物的氧化加成过程，从而明确镍和钯双催化剂正交选择性的本质。如图2所示，镍(0)和钯(0)与底物的配位是一个不可逆的过程，因此镍(0)和钯(0)与底物所生成的配位化合物的稳定性决定其对底物的选择性。因此，镍(0)和钯(0)都更倾向于活化C-OTf键。相反，对于镍(I)而言，其对底物的选择取决于氧化加成步骤的活化能。因此，镍(I)更倾向于活化C-Br键。综上所述，镍(I)和钯(0)而不是镍(0)和钯(0)之间的正交选择性是实现该反应的必要前提。此外，通过研究锌对镍(II)和钯(II)连续两次的单电子还原过程，结果表明镍(I)和钯(0)确实更容易生成，这也说明此反应中的活性催化剂为镍(I)和钯(0)。
图2 溴苯与4−甲氧基苯基三氟甲烷磺酸酯分别与镍(I)、镍(0)和钯(0)配位过程的吉布斯自由能的变化（∆Gº）以及氧化加成步骤的吉布斯活化能（∆G‡）
（来源：Chemical Communications）
在氧化加成之后的芳基迁移步骤中，芳基可以迁移到镍中心也可以迁移到钯中心。通过对比研究两种可能的迁移路径，结果表明芳基迁移到镍中心更为有利。因此，如图3所示，该反应最可行的反应路径为：（1）镍(I)选择性活化C−Br键生成镍(III)中间体；（2）钯(0)选择性活化C−OTf键生成钯(II)中间体；（3）镍(III)与钯(II)中间体之间的转移金属化芳基迁移到镍(III)中心；（4）还原消除。其中，决速步骤为镍(I)选择性活化C−Br键，活化能为20.3 kcal/mol，在实验条件（40 °C）下可以被克服。基于此，在当前的双催化作用中，镍(I)为主催化剂。
图3 镍/钯双催化的溴苯与4−甲氧基苯基三氟甲烷磺酸酯的Ullmann交叉偶联的反应路径
（来源：Chemical Communications）
此外，为了揭示镍(I)和钯(0)双催化作用所呈现的交叉选择性的内在本质，作者研究了单独镍(I)催化的溴苯自偶联反应。结果表明，相比镍(I)/钯(0)双催化的交叉偶联，自偶联反应需要更大的活化能。这表明，钯(0)催化剂决定了此反应的交叉选择性。
总之，该工作充分发挥理论计算的可靠性和前瞻性，揭示了镍/钯双金属催化剂正交选择性的起源，同时阐明了其呈现交叉选择性的内在本质，这些知识能够为未来开发新颖廉价的双金属协同催化体系以及新型交叉偶联反应等方面提供理论指导。该项研究得到了国家自然科学基金的支持，成果近期发表在Chemical Communications上，文章的第一作者是东北师范大学博士研究生朱博。
关于人物与科研
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