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过渡金属催化的C=C、C=O、C=N的氢化反应在均相催化领域中扮演着极其重要的作用；在医药、化工等行业中，对不饱和双键的直接氢化反应无疑具有非常重要的应用价值。与传统“内球“模式的过渡金属催化的氢化反应相比（图1a），离子氢化方向是一个有待于开发的领域；通过质子和氢原子的分步转移，离子氢化可以不涉及底物的配位以及对不饱和键的插入的方式实现对不饱和活泼中间体的氢化反应（图1b，c），该氢化方向对于扩大氢化底物范围，提高氢化反应转化数（TON）具有重大意义。
最近，南方科技大学化学系张绪穆（点击查看介绍）课题组与香港科技大学化学系林振阳教授（点击查看介绍）联合报道了布朗斯特酸/铱/ZhaoPhos催化的不饱和活泼中间体-羰基氧鎓离子的不对称氢化反应；该反应模式为酸性条件下的离子氢化模式，对底物的官能团兼容性好，具有非常高的活性对映选择性（ee值最高为99%，TON最高为8600，图1d）。
图1. 传统氢化反应历程，离子氢化历程以及羰基氧鎓离子的不对称氢化反应
首先作者以1-甲氧基-1-甲基异色瞒为标准反应底物，对反应的最优条件进行了考察；发现不管使用何种金属前体，何种溶剂，只要有酸存在，该反应的转化率都大于95%，但当酸不存在时，该反应不会发生。而当金属前体为[Ir(COD)Cl]2，酸为氯化氢，溶剂为DCM时，可得到较高的ee值，随后作者又对溶剂进行了考察，发现当溶剂为甲苯时，该反应可得到99%的ee值。在得到最优条件后，作者对异色瞒缩酮类底物范围进行考察，发现不管苯环上带有吸电子基还是供电子基取代基时，反应都能很好的发生并得到优异的产率和对映选择性；即使当苯环上带有不饱和基团时，该基团也能很好的保留下来。随后作者又对1号位上的烷氧基进行了考察，发现不管时乙氧基还是异丙氧基，都可以得到优异的产率和对映选择性。此外作者还对1号位上的烷基进行了考察，发现不管是苄氧基取代还是酯基取代的长链烷烃，都可以得到优异的产率和对映选择性（图2）。
图2. 底物范围
为了研究配体的硫脲基团与氯离子在该反应中的关键作用，作者进行了配体对照实验与抗阴离子对照实验。通过配体对照实验，发现只有硫脲存在并不被甲基取代时，可得到优异的反应结果；而在抗阴离子实验中，发现只有当体系加入氯离子时，才能得到优异的反应结果。随后作者通过进行氘代实验来研究该反应的反应历程：首先，作者先对该不饱和活泼中间体进行了表征；通过与标准底物的核磁对比，发现当在体系中加入氯化氢时，甲氧基在酸性条件下离去生成的氧鎓离子与1-氯-1-甲基异色瞒存在着快速的平衡（图3）。
图3. 反应历程验证
随后，作者通过氘代实验发现，在氯化氢的存在下，标准反应底物脱去一分子甲醇生成1-氯-1-甲基异色瞒，接着在配体硫脲基团的作用下，使得C-Cl键断裂生成羰基氧鎓离子，随后被Ir-H活性物种还原得到手性醚产物（图3）。作者通过动力学实验揭示了反应体系中催化剂是以二聚的形式存在的，并发现该反应对于反应底物来说是一级反应，而对于催化剂来说是1/2级反应（图4）。
图4. 动力学数据和非线性关系
最后，为了研究该反应的离子氢化机理，作者与香港科技大学林振阳教授课题组合作进行了DFT计算实验。通过DFT计算发现：氢气与金属配位后，氢气的异裂与底物C-Cl键的断裂同步发生，生成铱的双氢物种和羰基氧鎓离子，进而实现该离子的还原。值得注意的是，这与此前报道的硫脲攫取底物的氯离子后生成羰基氧鎓离子截然不同（图5）。
图5. 反应催化循环以及DFT计算能量图
这一研究成果已于近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，香港科技大学博士生杨题隆与南方科技大学科研助理孙永杰为该文共同第一作者。第一通讯单位为南方科技大学，通讯作者是南方科技大学温佳琳研究助理教授和香港科技大学林振阳教授。该研究工作得到了国家自然科学基金委，深圳科创委和香港研究资助局的资助。
Iridium-catalyzed enantioselective hydrogenation of oxocarbenium ions: a case of ionic hydrogenation
Tilong Yang, Yongjie Sun, Heng Wang, Zhenyang Lin, Jialin Wen, Xumu Zhang
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201916677
导师介绍
林振阳
https://www.x-mol.com/university/faculty/38301
张绪穆
https://www.x-mol.com/groups/zhang_xumu
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