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清華大學(xué)化學(xué)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(xué)化學(xué)系      2019-11-26
導(dǎo)讀:清華大學(xué)化學(xué)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(jìn)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(xué)化學(xué)系趙亮課題組一直致力于將超分子化學(xué)與金屬有機化學(xué)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(xué)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(xué)化學(xué)系博士生張思琪。該研究工作獲得清華大學(xué)化學(xué)系章名田副教授、肖海副教授、北京大學(xué)蔣尚達(dá)教授、北京師范大學(xué)孫豪嶺教授、美國加利福尼亞大學(xué)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(xué)基金的支持。

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


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