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清華大學化學系趙亮團隊《自然-通訊》發(fā)文揭示銅/氧氣催化體系中的關(guān)鍵中間體

來源:清華大學化學系      2019-11-26
導(dǎo)讀:清華大學化學系趙亮副教授團隊于10月24日在《自然-通訊》(Nature Communications)期刊發(fā)表題目為“Glaser偶聯(lián)反應(yīng)中分離的復(fù)合的Cu(I/II)簇合物”(A merged copper(I/II) cluster isolated from Glaser coupling)的研究論文,揭示了Cu/O2催化體系中的關(guān)鍵中間體結(jié)構(gòu)。

銅具有豐富的氧化還原性質(zhì),其常見氧化態(tài)包括Cu0, Cu I, Cu II  Cu III。因此,銅不僅常見于許多金屬酶的催化中心,同時也在有機反應(yīng)催化中扮演了極其重要的角色。特別是基于Cu/O2的催化體系,其不僅可以在多銅氧化酶(MCOs)和甲烷單氧酶(pMMO)中進行小分子活化,同時也作為以氧氣為氧化劑的綠色催化體系被廣泛應(yīng)用于許多有機反應(yīng)催化。然而,以往的機理研究主要關(guān)注銅-氧活性中心(Cu-O物種)以及有機銅化合物(organocopper)的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性質(zhì),但銅--有機三元復(fù)合物作為反應(yīng)過程中重要的中間體卻很少被分離獲得。

清華大學化學系趙亮課題組一直致力于將超分子化學與金屬有機化學研究方法相結(jié)合開展有機金屬簇及多金屬有機化合物的合成與反應(yīng)性質(zhì)研究。在之前的研究工作中,他們實現(xiàn)了多種有機金屬簇的可控合成并開展了其反應(yīng)活性研究,發(fā)現(xiàn)了多金屬存在下的特殊成鍵形式以及超共軛芳香性等作用新模式,相關(guān)研究成果相繼在多個知名學術(shù)期刊發(fā)表。

 

大環(huán)銅簇化合物1和化合物2的合成及反應(yīng)活性

  近日,他們利用大環(huán)模板導(dǎo)向的策略,通過使用不同大小的大環(huán)配體,在同一個Glaser偶聯(lián)反應(yīng)體系中成功分離到銅--有機三元復(fù)合物中間體[(tBuCoCCuI3)-(m2-OH)-CuII]@Py[8]1)和較常見的雙核Cu-O化合物 [CuII-(m2-OH)-CuII]@Py[6]2)。研究表明化合物12雖然具有相似的配位環(huán)境,但卻表現(xiàn)出截然不同的氧化能力和反應(yīng)活性。具有銅--有機三元復(fù)合體系的化合物1表現(xiàn)出較強的氧化能力,能夠與多種有機化合物發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移(SET)或氫原子轉(zhuǎn)移(HAT)反應(yīng)。而化合物2[CuII-(m2-OH)-CuII]則表現(xiàn)出較弱的氧化能力,因此不具備HAT反應(yīng)活性。本研究揭示了在Cu/O2催化體系中原位生成的高活性銅--有機三元復(fù)合物很有可能是真正的催化反應(yīng)中間體,其反應(yīng)活性與銅-氧物種以及有機銅化合物有較大的差別,為后續(xù)研究其他Cu/O2有機催化體系以及含銅金屬酶的反應(yīng)機理提供了新的思路。

本論文通訊作者為趙亮副教授,第一作者為清華大學化學系博士生張思琪。該研究工作獲得清華大學化學系章名田副教授、肖海副教授、北京大學蔣尚達教授、北京師范大學孫豪嶺教授、美國加利福尼亞大學戴維斯分校(UC, Davis)陶麗芝博士的幫助。該研究獲得國家自然科學基金的支持。

論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-019-12889-w


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