东北师范大学的关威副教授和苏忠民教授团队：计算/实验“双剑合璧”揭秘光控铱/镍催化C−S偶联的协同作用机制

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含有C−S键的芳基硫醚具有特殊的生理活性，被广泛应用于农药、医药、功能材料等领域。构筑C−S键的传统方法是过渡金属催化有机卤化物与硫醇或二硫化物的交叉偶联。然而，由于硫醇盐含有高电子密度的孤对电子，容易与过渡金属催化剂配位形成稳定的络合物进而导致催化剂失活，而这在很大程度上与两电子的反应模式密不可分。

最近，一种由光氧化还原催化与过渡金属催化相结合的双催化模式为构筑C−S键提供了新的契机。美国阿斯利康制药公司的Johannes等人利用Ir^III[dF(CF₃)ppy]₂(dtbbpy)PF₆/Ni^II(bpy)Cl₂催化烷基硫醇与芳基碘化物在常温下反应，生成高收率、高选择性的C−S键偶联产物（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1760，DOI: 10.1021/jacs.5b11244）。其中，有机碱吡啶是反应成功进行的关键因素之一，不加入吡啶就无法得到目标产物。遗憾的是，实验上没有明确解释每个步骤的机理细节，而这将制约其进一步的发展。鉴于此，东北师范大学关威副教授和苏忠民教授团队以此为研究对象，借助量子化学计算与荧光猝灭实验两种机理探究手段深入研究其可能的反应机制，明确了吡啶对该反应起促进作用的本质，同时揭示了C−S键交叉偶联高选择性的起源（图1）。相关研究成果发表于ACS Catalysis（DOI: 10.1021/acscatal.9b00375）。

图1. 光氧化还原介导的铱(III)/镍(II)协同催化烷基硫醇与芳基碘化物的C−S键交叉偶联反应

（来源：ACS Catalysis）

图2. 铱(III)/镍(II)光氧化还原催化C−S键交叉偶联反应的两种机制：a）自由基机制；b）价态调节机制

（来源：ACS Catalysis）

在课题组前期机理研究（Chem. Commun. 2018, 54, 5968）的启发下，他们采用理论计算方法对该反应可能进行的自由基机制和价态调节机制进行对比研究（图2），并得到荧光猝灭实验的佐证（图3）。结果表明，由氧化猝灭光循环（Ir^III-^*Ir^III-Ir^IV-Ir^III）和镍催化循环（Ni^II-Ni^I-Ni^II-Ni^I-Ni^II）组成的价态调节机制为最优路径（图4）。反应主要经历：吡啶引导的质子耦合电子转移，芳基碘化物与镍(I)−卤化物的氧化加成，还原消除及单电子转移四个基元步骤。相反，由于从镍(II)硫化物中间体开始的氧化加成或σ−键复分解反应高度吸热，使得实验提出的自由基机制难以发生。此外，在质子转移过程中，吡啶中的N原子和硫醇中的H(−S)原子之间存在的强氢键作用控制C−S的高选择性偶联。这项工作通过计算和实验相辅相成，不仅有助于加深我们对光氧化还原介导的C−X（X=N, O, P, S）键偶联反应的理解，还将为今后相关的实验及理论研究提供技术支持。

图3. （a）乙腈溶液中不同浓度的Ni(II)配合物对*Ir(III)（10 μM）的稳态发射猝灭（插图为Stern−Volmer曲线）；（b）在阳光和UV灯照射下，不同浓度Ni(II)配合物（6−30 mM）在*Ir(III)（10 μM）乙腈溶液中的颜色变化

（来源：ACS Catalysis）

图4. 价态调节机制（Ni^II−Ni^I−Ni^III−Ni^I−Ni^II）催化循环的势能面

（来源：ACS Catalysis）

这一成果以“How Does Iridium(III) Photocatalyst Regulate Nickel(II) Catalyst in Metallaphotoredox-Catalyzed C−S Cross-Coupling? Theoretical and Experimental Insights”为题近期发表在ACS Catalysis上（DOI: 10.1021/acscatal.9b00375）。文章的共同第一作者是东北师范大学的硕士生任航（左）和师资博士后李洸伕（中），关威副教授（右）和苏忠民教授为共同通讯作者。

该论文作者为：Hang Ren, Guang-Fu Li, Bo Zhu, Xiao-Dong Lv, Li-Shuang Yao, Xin-Long Wang, Zhong-Min Su and Wei Guan。