安徽大学李漫波课题组JACS: 金属-pincer团簇双位点协同激活高效不对称催化

邃瞳科学云

2025-09-05

导读：本研究基于金属-pincer团簇独特的配位模式，利用该类团簇表面裸露的"开放性氮位点"引入手性基团，构建金属-有机协同催化位点，合成了系列手性Au11团簇，实现了高活性、高选择性的不对称Michael

第一作者：张莹

通讯作者：李漫波

通讯单位：安徽大学物质科学与信息技术研究院

论文DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.5c12393

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基于金属-pincer团簇独特的配位模式，利用该类团簇表面裸露的"开放性氮位点"引入手性基团，构建金属-有机协同催化位点，合成了系列手性Au₁₁团簇，实现了高活性（TON = 495）、高选择性（ee = 90–99%）的不对称Michael加成反应，克服了大位阻、吸电子基团底物在传统催化剂条件下活性、选择性差的问题。基于金属团簇原子精确的结构，揭示了金属核-配体协同催化的机制。本研究为设计新型、高效的不对称催化剂提供了新思路。

背景介绍

不对称催化是构建纯对映异构体的关键策略，基于此所发展的经典方法如烯胺活化能高效快捷地合成手性α-羰基化合物。开发高活性、高选择性的手性催化剂是不对称催化研究领域的核心挑战。在一些具有超高催化活性的均、多相催化体系中，金属团簇被证实是真实的催化物种，如果能将金属团簇的高活性和手性小分子催化剂的选择性控制结合起来，将有利于发展优势的手性催化体系，清华大学王泉明教授利用手性配体螯合金-银团簇，发现其能催化Aldol反应，获得比常用小分子催化剂更高的催化活性（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 12255），该结果说明金属团簇在不对称催化中极具潜力，但是团簇非常活泼，如何有效调控其催化活性和对映选择性极具挑战。

研究出发点

安徽大学李漫波课题组一直从事金属团簇合成及催化研究，发现了钳形（pincer）配体在金属表面独特的“双金属双配位”模式（图1A，B），有利于暴露出“开放性有机氮位点”，开发了系列金属-pincer团簇催化剂（Nano Lett. 2023, 23, 235；Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215741；J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 9631；Nano Lett. 2025, 25, 11374；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202413861）。此外，还发展了金属团簇的表面精准功能化方法（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 12164-12172）。近日，该课题组利用该方法，实现了金属团簇上手性有机催化位点与金属催化位点的动态调控（图1C），激活了金属团簇高效的不对称催化潜力。

图1. (A) 金-pincer配合物的传统三配位模式；(B) 金-pincer团簇的双配位模式；(C) 金属-pincer团簇不对称催化策略。

图文解析

以PNHP钳形配体稳定的Au₁₁团簇为母体，通过表面四个“开放性有机氮位点”酰胺化引入R/S-脯氨酸（图2），精准构建了具有稳定8e闭壳层结构的手性Au₁₁团簇。利用类似的方法，进一步合成了β-氨基酸、双环脯氨酸、伯氨基酸等氨基酸修饰的稳定手性金属团簇催化剂体系，系统调控了金属团簇的手性有机催化位点与纳米金属催化位点之间的空间匹配关系。

图2. 手性金属-pincer团簇催化剂构筑方法。

获得了表面手性修饰的金属-pincer团簇后，研究者以硝基烯烃和醛的Michael加成反应为模板开展了其不对称催化研究，初步的实验结果表明脯氨酸修饰后的金属-pincer团簇无论是在转化率还是选择性控制上都比单纯的脯氨酸和母体团簇催化性能高（表1）。即使将脯氨酸的用量扩大25倍，0.2 mol%的金属-pincer团簇催化剂仍然比5 mol%的脯氨酸催化效果要好得多。

表1. 不同催化剂的首次反应尝试

通过调控团簇表面的手性有机位点和金属位点之间的空间位置关系，还能有效调节金属-pincer团簇的催化活性和选择性（图3）。其中L₁-Au₁₁因双位点空间匹配最佳、催化性能最优（L_1S-Au₁₁优化后获95%收率、97% ee、>20:1 dr）。基于该最佳条件，作者系统研究了L₁-Au₁₁金属团簇在不对称Michael加成反应中的底物普适性（图4），发现其对芳基/杂芳基/烷基取代及多官能团硝基烯烃、包括各类醛类底物均表现出优异催化活性，并能实现γ-硝基醛的对映发散合成，证实该金属团簇催化剂同时具备广泛的底物适用范围和精准的立体选择性调控能力。

图3. 功能化金属-pincer团簇的催化性能对比。

图4. 金属团簇催化的不对称Michael加成反应的底物适用范围。

机理研究进一步阐明了金属团簇的金属位点和有机位点的协同活化。综合¹⁹F NMR、原位ESI-MS、N-Boc-脯氨酸团簇对照、快速相转移及非线性效应等实验（图5），阐明L_1S-Au₁₁催化机制：表面四个[Au₂(PNP)]模块中金位点配位活化硝基烯烃，手性氮位点通过烯胺活化的方式活化醛，金属核纳米催化与表面有机手性催化精准协同，实现高活性与高对映选择性调控。

图5. (A) 原位核磁共振实验；(B) 原位电喷雾电离质谱实验；(C) 相转移实验；(D) 非线性效应实验；(E) 提出的活化模式。

总结与展望

本研究利用原子级精确金属-pincer团簇的独特“双金属双配位”模式，通过开放氮位点精准引入手性功能基团，构建了表面手性有机催化位点与金属活性位点的协同催化体系，通过精准调控二者的空间匹配关系，实现了金属-pincer团簇催化的高活性、高选择性的不对称Michael加成。该工作为构建高效的手性催化体系提供了新的思路。