麻生明院士领衔！清华、复旦、南科大、山西大学四校合作，最新Nature Chemistry！

钴催化新突破！多功能协同，实现全可控的炔烯加氢

在有机合成与工业生产中，催化加氢反应几乎无处不在。但面对结构复杂的底物，想要在反应中精准“拿捏”产物分布，却一直是化学家们头疼的难题。尤其是多取代丙二烯（allenes），由于其独特的累积π体系，在选择性加氢时需要同时兼顾化学选择性、区域选择性、立体选择性以及Z/E构型控制（图1a）。更糟糕的是，产物还可能发生异构化甚至过度氢化，进一步扰乱选择性。这道“多重选择题”几十年来悬而未解。

今日，清华大学刘强教授联合复旦大学麻生明教授、山西大学卫智虹老师和南方科技大学陶丽芝副教授提出了一种全新策略：通过设计具备多重金属–配体协同（MLC）功能的钴基手性钳形催化剂，实现对多取代丙二烯加氢反应的全面可调控。研究成果以“Tunable cobalt-catalysed hydrogenation of allenes enabled by multiple metal–ligand cooperative functionalities”为题发表在《Nature Chemistry》上。 Xianle Rong和 Yunjuan Ren为共同第一作者。

多功能协同：精准解题的关键

作者创新性地设计了含有 “N–H”外球位点与可解离的N-杂环碱性位点的三齿钳形配体（图1c）。这样的设计既能通过氢键与底物上的官能团作用，释放出H₂活化位点，又能利用杂环基团与钴中心共同实现H₂的异裂。配体结构可调，使得催化体系在化学、区域、对映及Z/E选择性上都可实现“量身定制”。最终，研究人员首次打破传统限制，一次性获得丙二烯半加氢的所有可能产物（图1d），为合成多样化的手性烯烃库提供了全新路径。

图1：多取代丙二烯选择性加氢的长期挑战，以及作者提出的多重MLC设计思路

反应开发：从失败到惊喜

研究一开始，团队尝试了传统的双齿配体体系（图2a），但结果证明这种体系在多取代丙二烯氢化中几乎“无能为力”。于是，研究者构建了一套基于Ugi’s amine骨架的三齿NNP型钳形配体库（RL7–RL16），并逐一测试其性能（图2b）。实验发现：含有咪唑基团的RL7配体表现突出，能够得到高对映选择性的1,2-加氢产物（S)-2a；RL12（甲氧基取代吡啶）则“反转”了区域选择性，偏向生成2,3-加氢产物，并在E/Z构型控制上表现极佳；RL16（含吡唑基团）则显著偏向(Z)-选择性，进一步丰富了产物谱。优化条件后，催化剂体系实现了高达93%收率、95% e.e.、14:1区域选择比的优异表现（图2c）。这一系列对比说明：配体杂环单元在决定选择性上起到关键作用。

在确定最佳反应条件后，团队进一步验证了催化体系的普适性。无论是烷基、环烷基取代的底物，还是带有供/吸电子取代基的芳香基丙二烯，均能顺利转化为目标手性烯烃，且在产率和对映选择性上表现稳定。更令人兴奋的是，这一体系还能兼容多种官能团：膦酸酯、膦氧、砜、酯类等都未干扰反应（图2i）。甚至来源于药物或天然产物的衍生底物也能高效转化，例如樟脑磺酸、(-)-樟脑酸及油菜酸衍生物，展现了体系在复杂分子改造中的巨大潜力。在2,3-加氢中，RL12与RL16配体则分别实现了高选择性的E/Z互补。换句话说，研究人员通过“配体开关”即可随意调控产物构型，这在药物发现与多样性导向合成中价值极高。

图2：从传统双齿配体到新型三齿钳形配体的反应开发过程，不同杂环结构对选择性的影响，以及四种产物的可控生成

机制探索：揭开钴催化的秘密

为了弄清催化剂是如何实现如此高效且可调控的氢化，研究团队开展了一系列机理实验与理论计算。EPR谱与高分辨质谱证实，真正的活性物种是由Zn还原生成的 Co(I)阳离子，而非Co(II)或Co(0)（图3a-c）。氘代实验表明，氢源完全来自H₂分子，且两颗氢原子可能分别来自不同分子（图3e）。DFT计算揭示了一个独特的“氧化还原中性”循环：配体N–H与钴中心协同异裂H₂，随后烯丙基插入、质子转移逐步完成氢化（图4a）。这一循环不仅规避了高能的氧化加成途径，还通过氢键作用和自旋态跨越，精准调控了区域与对映选择性（图4b,c）。可以说，这套催化体系的“聪明”之处，就在于把化学键的断裂与形成“安排得明明白白”。

图3：机理研究

图4：理论计算揭示的“氧化还原中性”催化循环，关键过渡态与氢键作用对选择性的贡献

合成应用：从实验室走向未来

除了学术上的突破，研究团队还展示了该体系的实用潜力：氘代产物合成：在D₂气氛下，体系可实现对sp²与sp³碳的高选择性氘代，氘丰度高达99%。这为药物分子氘代修饰提供了新工具。克级合成：在底物/催化剂比高达500时，依然能以91%收率、95% e.e.获得目标产物。衍生化反应：手性烯丙基膦酸酯进一步转化为多种高价值化合物，包括罕见的P-手性环膦酸酯、手性磷酸、环氧化物和氨基酸类似物。这些成果说明，钴催化丙二烯氢化不只是“学术炫技”，而是真正具备产业转化潜力的解决方案。

结论与展望

总的来说，这项研究不仅解决了困扰化学界已久的丙二烯加氢多重选择性难题，还提出了一个更普适的思路：通过多重金属–配体协同，弥补过渡金属催化中配位位点不足的瓶颈。这意味着未来的催化剂设计，不再局限于“单点突破”，而是可以通过配体的精细调控，让催化反应“随心所欲”地输出目标产物。随着这一思路的推广，或许会有更多曾经“不可能”的选择性反应，变成化学家的日常工具。

来源：高分子科学前沿

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