协同催化作为一种创新性的集成方法学策略，通过深度整合双金属活性中心的催化效能，展现出单核金属体系难以比拟的催化活性优势。这一特性使其在基元反应的开发与应用领域极具潜力。然而，在当前的金属有机催化研究领域中，多核金属配合物催化反应的研究则相对发展缓慢。此外相较于单核金属催化体系，多核金属催化体系涉及更为复杂的反应机制，相关理论研究面临着指数级增长的挑战，致使该领域仍存在大量待开拓的研究空间。
南京大学谢劲课题组通过配体微调控策略，成功创制系列新型双核金配合,实现变价金催化体系下的烯基硼试剂高效转化。该研究突破性构建多种新型共轭烯炔及1,3-丁二烯分子骨架，展现出优异的化学选择性与构象选择性控制能力。该团队通过引入金催化剂保护试剂，首次有效解决了氮膦配体双核金在含氟反应体系中的自分解难题。作者通过理论计算与机理实验系统解析了反应路径。结果表明，双核金催化剂对炔烃和烯基硼试剂的协同活化模式是反应高效进行的核心要素，并据此提出双金属协同1,2-还原消除新基元反应（图1）。相关成果近期发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。南京大学博士生方尚文为该论文第一作者，谢劲教授、韩杰副研究员和赵劲教授与为该论文的共同通讯作者。
图1. 协同双金属催化与双核金协同催化的非芳香性C(sp2)-B试剂转化
作者首先选择4-溴-1-丁炔（1a）和苯乙烯基硼酸（2）为底物，Selectfluor II为氧化剂，DMF为溶剂，在室温条件下考察了几种常见的均相金催化剂（图2）。实验结果表明，常见的单核金催化剂无法驱动交叉偶联反应。相较于金原子中心相距较远的双核金催化，原子中心更近的金催化剂则表现出显著的催化活性。其中氮膦配体修饰的双核金催化剂能够以34%的产率获得目标产物。在此基础上作者进一步制备了多种氮膦配体，并开展系统的催化活性考察。
图2. 反应初步尝试
首先以N上取代基为研究对象，根据取代基的空间位阻和电子特性，作者检验了多种氮膦配体双核金的实际催化效果（图3）。实验结果表明各种烷基取代基修饰的氮膦配体双核金均能顺利驱动烯基硼与炔烃之间的转化，并以中等收率获得共轭烯炔和1,3—丁二烯产物（Au-1—Au-8）。其中苯基修饰的氮膦配体双核金催化剂，能够以最高83%和70%收率获得相应共轭烯炔和1,3—丁二烯产物（Au-6）。此外。作者也考察了几种常见的金催化剂，例如dppm配体修饰的双核金和膦配体修饰的单核金。这些催化剂表现出较低的催化效能，与氮膦配体修饰的双核金存在显著差异。
图3. 催化剂考察
在已有的反应条件基础上，作者对反应条件展开进一步研究（表1）。首先该反应对氧化条件有着明确要求，其中选择性氟试剂（Selectfluor II）效果最好。在添加剂方面，三异丙基硼酸酯相较于同类物能够显著提高反应产率。在反应温度方面，升高温度会导致反应产率下降。此外该反应也在多种常用的溶剂环境中被考察。结果表明，端炔底物更倾向于在DMF中反应，而内炔底物倾向于在MeCN中反应。
表1. 反应条件优化
值得注意的是，本工作首次应用了一种抗双核金催化剂失活剂，克服了以往氮膦配体修饰的双核金在含氟环境中的结构不稳定问题。作者通过核磁硼谱和膦谱对抗失活剂的作用机制展开研究。结果表明，这种抗失活剂通过捕获体系中游离的氟离子，减缓了配体发生氟离子促进的氮膦键解离（图4）。
图4. 催化剂活化性能对比与反应动力学研究
为进一步认识氮膦配体修饰的双核金表现出的优异催化效能，作者开展了动力学研究（图5）。动力学实验进一步表明双核金催化剂和炔烃对反应呈现出一级动力学效应，而烯基硼试剂与反应的决速步无关。通过以上实验结论，作者推测双核金与炔烃底物之间特殊的相互作用关系是反应的关键要素。
图5. 反应动力学研究
为进一步揭示反应机制，作者以端炔与烯基硼试剂的交叉偶联为研究对象，展开系统的理论计算（图6）。作者发现催化剂氧化和炔烃活化阶段计算出的能垒与实际的室温反应条件相吻合。其中炔烃的活化存在两种不同的可能性，即炔烃活化发生在连有氟原子的金上，以及远离氟原子的金上。值得注意的是这两种反应路径之间并存在显著差异。对此作者同时保留这两种反应路径，并以此为基础展开后续计算。
图6. 理论计算—催化剂氧化与炔烃活化
不同于经典的过渡金属催化的有机硼试剂转化，前期的研究表明金催化剂以一种“非经典”的双分子还原消除机制，实现对有机硼试剂的催化转化。作者在这一研究成果的基础之上，通过理论计算对“非经典”的双分子还原消除机制进行验证（Path-1），并提出一种全新的、在能量上更具优势的双金属协同1,2—还原消除机制（Path-2）。在该反应路径中（图7），氮膦配体双核金的两个金原子能够分别定向活化两个底物。轨道分析表明，过渡态TS2b相较于TS1b表现出更弱的反键轨道作用。作者还根据还原消除方式、是否存在转金属化等潜在的反应路径，对其他四种可能的反应方式进行全路径计算（图8）。结果表明双金属协同1,2—还原消除机制是当前的最优反应路径，且与动力学实验结果相吻合。为了进一步解释单核金催化效能不佳的情况，作者以P,N-金催化剂（Au-10）为考察对象，开展理论计算研究。计算结果揭示，单核P,N-金催化剂（Au-10）在全局各个阶段均呈现相对较高的反应能垒。特别是在关键的还原消除阶段，单核P,N-金催化剂反应能垒远超所有的双核金催化路径。
图7. 理论计算—1,1-双分子还原消除与协同1,2-还原消除
图8. 理论计算—其他可能的双核金催化路径与P,N-Au催化计算
在底物实用性研究上，作者首先考察了端炔与烯基硼试剂之间的反应（图9）。对于烷基取代的端炔底物，例如卤原子、氰基、环烷基，酯基和酰胺等官能团对反应不会产生显著影响，均能以中等至较高的收率获得目标产物（3a—3f）。其中在过渡金属催化中相对较活泼的碘代端炔，能够以中等收率得到相应的共轭烯炔产物（3c）。在对芳基端炔的考察中，多种电性各异的芳环取代基均能在标准条件下顺利转化，以良好的产率获得目标产物(3g—3j)。含氮杂芳基端炔和生物活性分子在该反应中同样兼容（3k，3l，3n）。之后作者又对烯基硼试剂范围进行考察。结果显示，含有多种官能团的苯乙烯基硼试剂均展现出良好的反应适应性（3p—3x）。
图9. 炔烃交叉偶联底物考察
在内炔底物方面，作者从取代基空间位置和电子性质两个方面进行了底物考察（图10）。其中芳基取代内炔和烷基取代内炔均能在标准条件下实现转化，并以良好产率获得构象专一的1,3—丁二烯分子骨架（5a—5k）。通过底物设计，多取代的共轭烯烃骨架能够以中等收率实现构建（5l）。在硼试剂方面，除了苯乙烯基硼试剂能够兼容该催化体系外，多种烷基烯基硼试剂同样能够在标准条件下顺利转化，并获得相应产物（5m—5u）。
图10. 炔烃多功能化底物考察
基于实验结果和理论计算，作者根据产物结构特点将以上工作分为交叉偶联和多官能团化两个部分，并提出相似的催化循环机制（图11）。以交叉偶联反应为例，在Selectfluor II的作用下，双核金被氧化至高价状态6，并通过远离氟的金原子与体系中的端炔底物结合。接着体系中的碱性氮骨架对端炔发起拔氢，生成炔基金物种7。之后烯基硼试剂与炔基金物种迅速发生无势垒的F-B成键，并通过金的亲π特性实现对烯基模块的捕获（8）。最后两个金原子分别活化的炔基与烯基骨架以协同1,2—还原消除的形式（9）得到最终的烯炔结构，并伴随催化剂的再循环。
图11. 可能的催化循环
小结
南京大学谢劲课题组基于配体微调控策略，成功创制了一系列新型氮膦双核金配体，并在此基础上实现均相金催化领域的重要突破，创新性提出协同1,2-还原消除这一新型基元反应。该催化体系有效解决了烯基硼试剂在变价金化学中难以应用的关键难题，为共轭烯炔和多取代 1,3-丁二烯分子骨架的构建提供了全新合成路径，同时展示出多核金属协同催化机制研究的独特性与复杂性。
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Cooperative Dinuclear Gold Catalysis Unlocking 1,2-Reductive Elimination Elementary Reaction in Oxidative C─C Coupling
Shangwen Fang, Yu Liu, Fei Wang, Yue Zhao, Congqing Zhu, Yuncong Chen, Sergey N. Konchenko, Jing Zhao, Jie Han, Jin Xie
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202506925
研究团队简介
谢劲，南京大学化学化工学院教授，博士生导师，教育部长江特聘教授，配位化学全国重点实验室副主任。2017年7月加入南京大学化学化工学院和配位化学国家重点实验室开展独立科研工作。研究方向为金属有机化学、光化学与战略有机新材料，通过分子构筑新概念和新策略的发展与创新，跨学科解决科学领域中存在的重大挑战。已在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Nat. Chem., Nat. Catal., Nat. Synth., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Nat. Commun., CCS Chem., Sci. China Chem.等著名学术期刊发表论文120余篇，被引8000余次；申请发明专利28件，授权国际专利2件、中国发明专利23件。现受邀担美国化学会任ACS National Award Selection Committee委员，Gold Bulletin和Chemical Synthesis副主编，Science China Chemistry、Chinese Journal of Chemistry、Chemical Communications、《化学学报》、《有机化学》等期刊（顾问）编委。
