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王斌课题组JACS:仿生催化新进展
发布日期:2023-03-02    点击:

近日,天博网页版登录界面王斌教授课题组与宁波大学王永教授、韩国梨花女子大学Wonwoo Nam教授合作在国际化学领域权威期刊《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c13832.)发表了题为“Hydrogen Bonding-Assisted and Nonheme Manganese-Catalyzed Remote Hydroxylation of C?H Bonds in Nitrogen-Containing Molecules”的研究论文。

近年来,仿生催化非活化C(sp3)?H选择氧化已成为改变天然产物和生物活性分子物理和生物学性质最直接有效的方式之一。依据化学键的强度、催化剂或底物的电子效应、立体效应及立体电子效应、导向基团、以及催化剂的绝对手性等固有因素,化学家报道了非血红素金属配合物催化甲基、亚甲基及次甲基C(sp3)?H的位点及立体选择性氧化反应。除此之外,极性反转和分子识别也被用来调控C(sp3)?H氧化的固有活性和选择性。经过近15年的发展,仿生催化C(sp3)?H氧化取得了系列进展,但现有方法距离在合成上的广泛应用还存在诸多亟需解决的难题,例如,如何提高催化氧化的官能团兼容性,尤其是对于药物及农药研究至关重要的碱性氮官能团。

非血红素高价金属-氧中间体介导的含氮分子中脂肪族C?H氧化的挑战性包括:(1)氮原子与金属中心的配位会导致催化剂失活(图1A),即碱性氮原子与金属中心的不可逆螯合会造成八面体金属中心的配位饱和,导致无法生成作为催化反应活性中间体的高价金属-氧物种;(2)化学选择性难以控制,即具有强亲电反应活性的高价金属-氧物种优先氧化碱性氮原子生成N-氧化物,而非脂肪族C?H活化;(3)区域选择性难以控制,与远端C?H相比,超共轭活化使得邻近N原子的α-C?H官能化更容易发生。

以O2为氧源,自然界中的金属氧化酶在绝对温和、绿色的条件下催化脂肪族C?H化学、区域和立体选择性氧化。在这一催化转化过程中,高价金属-氧中间体的生成以及对于活性位点物理和化学性质的精准调控是实现酶催化高效性和高选择性的关键。活性位点的物理和化学性质由主配位环境(以共价键的方式与金属中心结合的配体)和次级配位环境(活性位点内的非共价键相互作用)共同控制(图1C),前者决定几何构型、Lewis酸性、电子结构等基本性质,后者决定可及性和位点选择性。氢键是金属加氧酶用来调节催化金属中心周围环境最常见的非共价相互作用类型,研究证明次级配位环境的氢键不仅可以调节活性中心的静电性质,还能影响质子和电子的转移,控制金属介导的O2活化,引导底物的定位(图1C)。

受金属加氧酶次级配位环境中的氢键启发,王斌教授课题组报道了一种次级配位环境的溶剂氢键策略,以六氟异丙醇(HFIP)作强氢键供体溶剂、廉价易得的非血红素锰配合物作催化剂,H2O2作氧源,在不需要强Lewis酸或Br?nsted酸对碱性氮原子进行预先保护(图1C)的情况下实现了含氮分子中远端非活化C(sp3)?H选择氧化(图1D)。反应机理研究表明含氮分子与HFIP之间存在强氢键,避免了催化剂因氮配位而失活,并使碱性氮原子和邻近氮原子的α-C–H去活化。此外,HFIP所产生的氢键不仅可以促进MnIII-OOH的O?O异裂生成MnV(O)(OC(O)CH2Br)作为活性中间体,还可以显著提高MnV(O)(OC(O)CH2Br)的稳定性、使得MnV(O)(OC(O)CH2Br)在C–H羟化中的活性在氢原子摘取步骤中降低,而在氧反馈步骤中提高。

图1. 研究背景及工作设想(图片来源:J. Am. Chem. Soc.)

该工作的实验部分由我校天博网页版登录界面青年教师陈洁和研究生宋文训同学协作完成,宁波大学王永教授、韩国梨花女子大学Wonwoo Nam教授和我校王斌教授为本文的通讯作者,天博网页版登录界面为第一完成单位。研究工作得到了天博网页版登录界面高层次人才引进学科建设经费、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、泰山学者计划和山东省外专双百计划的资助。


王斌课题组简介:

研究方向:仿生催化氧化及反应机理

1. 研究非血红素模拟酶的催化氧化反应机制

2. 发展具有酶催化绿色、高效、高选择性特征的仿生催化氧化反应新体系


作者简介:


陈洁,博士、讲师。2010年毕业于曲阜师范大学。2016年在中国科学院化学研究所获得博士学位,导师为刘鸣华研究员。2017年加入天博网页版登录界面,研究方向为超分子化学和仿生催化,主持国家自然科学基金1项、山东省自然科学基金2项,以第一作者在J. Am. Chem. Soc.、CCS Chem.、ACS Catal.、Chem. Commun.等期刊发表文章10余篇。

王斌,教授、博士生导师。2007年毕业于曲阜师范大学。2012年在中国科学院兰州化学物理研究所获得博士学位,导师孙伟研究员,研究方向为仿生不对称催化氧化。2012至2016年在韩国梨花女子大学进行博士后研究,导师Wonwoo Nam教授和Shunichi Fukuzumi教授,研究方向为高价金属-氧中间体的合成、谱学表征及反应动力学。2017年加入天博网页版登录界面,在国家自然科学基金面上项目、泰山学者青年专家、山东省自然科学优秀青年基金等资助下从事仿生催化氧化及反应机理研究。以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、CCS Chem.、ACS Catal.等期刊发表文章20余篇,获得英国皇家化学会新锐科学家(ChemCommun, Emerging Investigators 2021)、中科院朱李月华优秀博士生(2012)等荣誉。


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