基于手性PNP配体螯合钴参与酮及亚胺的不对称氢化反应

The replacement of expensive noble-metal catalysts by earth-abundant cobalt metal catalysts for asymmetric hydrogenation is a challenge task. This might be due to the tendency of first-row cobalt metal complexes to react by one-electron pathway because of the smaller atomic radious and distinct electronic structure, which makes it difficult to control their catalytic reactivity and selectivity compared with noble metal complexes. This project aims to design and synthesis a kind of novel chiral PN(H)P pincer ligands and their corresponding chiral cobalt catalysts, which will be used to develop cobalt catalyzed asymmetric hydrogenation of some polar groups. Our proposal is based on the following items: A) NH group with different chiral environment will be introduced to form a PNP ligand library with a tunable “soft-hard” function. The catalytic activity and selectivity will be optimized by varying the electronic structure and steric hindrance of pincer ligands; B) The one-electron pathway might be avoided because of the stable cobalt pincer complexes; C) The chiral NH group on the pincer ligand participates in the catalytic cycle, providing a metal-ligand cooperative mechanism. This mechanism proposed will benefit to the asymmetric hydrogenation of polar multiple bonds such as ketones and imines; D) Our prelimary results on cobalt catalyzed asymmetric hydrogenation of ketone will benefit to this project. With the success, the problems on catalytic activity and enantioselectivity in cobalt catalyzed asymmetric hydrogenation reactions might be solved.

用丰富的钴金属代替贵金属参与氢化反应是一个挑战的课题。这是因为钴金属因其小的原子半径以及特殊的电子结构使之更有利于朝单电子转移反应进行，比贵金属催化剂在催化活性及选择性方面更加难以控制。本项目将开发一类新的手性螯合PN(H)P配体，发展系列有效的手性钴催化剂，从而实现极性官能团的不对称氢化。具体研究依据如下：一、在螯合骨架PN(H)P配体中，引入不同手性环境的NH官能团，建立具有软硬可调，不同电子效应及空间位阻的手性PN(H)P配体库，从而有利于催化剂活性及选择性的优化；二、利用螯合配体对金属钴离子的稳定作用，有效避免单电子反应发生的可能性。三、配体中手性NH官能团参与金属与配体的协同作用机制，有利于钴催化极性基团酮及亚胺的不对称氢化还原；四、我们在钴催化酮的不对称氢化方面取得的初步研究结果将有利于本项目的实施。该项目的成功，为解决钴催化不对称氢化中催化活性与选择性控制问题提供可行的方案。

使用廉价的金属催化剂替代贵金属催化剂在有机合成，有机催化反应中得到了广泛的关注，也成为当前的研究热点。钴作为一类重要的金属，在很早就应用于氢甲酰化反应并用于工业化中。由于其原子半径小的特点，在反应中如何稳定该钴金属原子成为了研究的难点。随着化学技术手段的发展，系列有效的配体被开发出来，并成功的应用于催化反应。本项目就是以发展一类螯合的手性钴催化剂为目标，研究它在催化不对称氢化反应中的性能。本项目开始基于手性PNP钴催化剂结构开展了相应的研究工作，并实现了芳基酮的不对称氢化反应，但后续的研究中，发现该类催化剂催化性能不稳定，这一结果在后来的催化剂单晶结构得到说明，基于该研究基础，进一步发展了一种基于手性PNN骨架的催化剂，分别发展了系列的钌配合物及钴配合物。基于钌PNN催化剂应用于a-羟基酯（或烷基酯）的动态动力学拆分，首次报道了针对酯基还原的动态动力学拆分，取得了较好的结果，为后期工作的进一步开展提供了有益的参考。另外在钴催化应用上，首先应用于钴催化芳基酮的不对称氢化还原，研究发现，添加另外一分子的非手性单齿膦配体可有效的构筑好的手性微环境，显著的提高了产物的对映选择性，该结果的取得为钴类催化剂配体的设计提供了有用的线索。其次，相应的钴催化可实现室温下对酯类化合物的氢化还原反应，催化剂用量低，反应活性高，为目前报道的钴类催化剂中最好的结果。最后，该钴催化剂还可用于喹喔啉的不对称氢化还原，初步的结果显示该催化剂在不添加额外膦的基础上可实现高对映选择性的催化剂氢化还原，这是廉价金属催化杂环氢化还原的最好结果。在这些研究过程中，阐述了相应的添加剂效应、电子效应、配体的立体效应等对催化反应的影响，为钴催化剂的进一步开发利用以及其它廉价金属的拓展提供了坚实的基础。开展钴及其相关廉价金属的催化性能研究将有助于实现生态环境友好的催化反应体系并以此为经济高效的产出提供了一条切实可行的方案。