科學通報 | 受自然識別啟發的催化金屬鏈行走新突破

選擇性控制是現代化學反應的基本要求 [1] . 如何像“外科手術”般精準地在碳骨架上指定位點安裝官能團, 一直是合成化學家的核心追求. 烯烴雙官能團化反應能夠在雙鍵位置同時引入兩個官能團, 具有效率高、結構多樣性豐富的優勢. 然而, 經典原位加成的高選擇性依賴于雙鍵固定的位置, 這一優勢同時也束縛了化學家在其他位點引入官能團的可能性.

金屬鏈行走為突破這一限制提供了可能. 通過金屬在碳鏈上的動態遷移, 可以突破原有雙鍵位置, 實現遷移加成 [2] . 但如何將金屬精確引導至目標位點, 成為這一策略的中心挑戰. 近年來, 研究者多依賴熱力學穩定效應, 使金屬停留在能量洼地位點, 從而實現可控的區域選擇性, 并推動了遷移雙官能團化方法的發展, 為碳骨架的精細改造開辟了新視角 [3] ( 圖1(a) ). 然而, 當下更多著眼于官能團試劑的橫向拓展, 而在縱向復雜環境中新位點的開發, 尤其是多取代烯烴的利用上, 進展幾近停滯. 由單取代走向多取代烯烴時, 三級金屬在三維鏈行走的復雜軌跡中往往迷失方向, 驟增的多樣化且伴隨相似性的潛在位點更使選擇性困境難以突破.

圖1 基于鏈識別的多取代烯烴頭尾雙官能團化反應. (a) 熱力學穩定效應控制的單取代烯遷移雙官能團化反應. (b) 酶催化組蛋白鏈識別甲基化過程. (c) 位阻控制的鏈行走模式突破多取代烯烴選擇性難題

近期, 本課題組提出并實現了一種全新的解決方案, 他們受自然界生命體賴氨酸甲基轉移酶的鏈識別機制啟發: 酶依靠弱相互作用與立體空腔限域的精巧配合, 實現對特定位點的精準修飾 [4] ( 圖1(b) ). 研究團隊跳出以往依賴熱力學引導的思維, 轉而設計鎳催化劑配體的空間位阻, 在擁擠的三級金屬環境中人為建立空間導航, 迫使金屬逐步遷移至最遠端的低位阻位點進一步官能團化 [5] . 這一位阻調控的鏈行走模式, 使金屬能夠在復雜的碳骨架中“辨路而行”( 圖1(c) ).

依托鎳催化碳硼化反應的靈活多樣優勢, 使用鏈行走催化劑實現了多取代烯烴的頭尾碳硼化反應. 該反應條件溫和, 催化劑配體廉價易得, 并表現出優異的官能團兼容性, 多類烷基鹵化物和芳基鹵化物均可高效且高度選擇性地轉化. 在烯烴底物范圍的探索中, 該體系展現出顯著的普適性. 從對稱與非對稱二取代烯烴到三取代環狀烯烴, 該體系均能精準識別并實現最遠端的頭尾加成產物. 尤為具有挑戰性和意義的是, 催化劑能夠在高度相似的甲基與乙基側鏈之間實現高選擇性區分. 此外, 即使在兼具熱力學穩定位點與多個相似末端位點交織的底物中, 反應仍保持優異的選擇性. 在環己烯底物的轉化中, 該策略突破了傳統順式加成的限制, 獲得高選擇性的反式產物, 彰顯出獨特的立體控制能力. 進一步應用于天然單萜復雜烯烴骨架時, 仍能保持優異的位點選擇性, 并實現手性傳遞, 為帖烯類分子的轉化與利用開辟了新途徑. 在此基礎上, 所引入的硼官能團通過多樣化轉化, 展示了該方法在天然產物合成和功能材料構筑中的廣闊應用前景. 為揭示位阻控制選擇性的奧秘, 我們結合同位素標記實驗與密度泛函理論計算展開研究. 結果表明, 三級金屬物種在甲基與亞甲基上的 β -H消除存在能壘差異, 使金屬更傾向于向遠端遷移; 而動力學同位素效應(KIE)與Hammett曲線分析則顯示, 反應的速率決定步驟發生在金屬鏈行走之后. 進一步的位阻可視化分析證實, 正是人為設計的空間位阻排擠在發揮關鍵作用, 為金屬遷移提供了清晰的方向指引.

這一研究不僅是對多取代烯烴遷移雙官能團化難題的突破, 更是一場從“自然啟發”到“人工催化”的跨越式探索. 它首次實現了多取代烯烴的高效頭尾碳硼化, 破解了長期以來的選擇性困境. 其意義不止于方法學的新發展, 更在于提出了“為金屬指路”的全新反應設計理念, 為復雜碳骨架的精準官能團化提供了切實可行的路徑.

參考文獻

[1] Trost B M. Selectivity: a key to synthetic efficiency . Science , 1983 , 219: 245 -250

[2] Li Y, Wu D, Cheng H, et al. Difunctionalization of alkenes involving metal migration . Angew Chem Int Ed , 2020 , 59: 7990 -8003

[3] Li Y, Yin G. Nickel chain-walking catalysis: a journey to migratory carboboration of alkenes . Acc Chem Res , 2023 , 56: 3246 -3259

[4] Luo M. Chemical and biochemical perspectives of protein lysine methylation . Chem Rev , 2018 , 118: 6656 -6705

[5] Kong W, Wu D, Wei H, et al. Head–tail carboboration of multisubstituted alkenes enabled by chain recognition. Nat Chem, 2025, doi: 10.1038/s41557-41025-01903-y.

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