第一作者和單位：Peng Gao, 復(fù)旦大學(xué)
通訊作者和單位：梁觀峰，陳芬兒，復(fù)旦大學(xué)
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25061-0
關(guān)鍵詞： 氫甲酰化反應(yīng)，單原子催化劑，芳基乙烯，區(qū)域選擇性，芳基丙醛烯烴氫甲?；铣扇┦悄壳皯?yīng)用最為廣泛的均相催化反應(yīng)，其年生產(chǎn)規(guī)?？蛇_(dá)1200萬(wàn)噸。烯烴氫甲?；走x催化劑是基于雙亞磷酸酯配體或者水溶性膦配體TPPTS的Rh基絡(luò)合物催化劑。有機(jī)膦配體是控制催化劑選擇性的關(guān)鍵。目前此類反應(yīng)主要用于低碳烯烴，且產(chǎn)物為遵循反馬氏加成機(jī)理的線性氫甲酰化產(chǎn)物直鏈醛。同時(shí)該反應(yīng)的馬氏加成產(chǎn)物支鏈醛在藥物合成中作為重要的中間體有著更為廣泛的應(yīng)用。例如芳基乙烯選擇性氫甲?；a(chǎn)物2-芳基丙醛是合成布洛芬等非甾體抗炎藥的關(guān)鍵中間體。2016年大連化物所喬波濤研究員與張濤院士首次報(bào)道了單原子Rh催化劑在苯乙烯氫甲?；磻?yīng)中的應(yīng)用，獲得了與經(jīng)典均相Rh催化劑相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)活性。其中正構(gòu)醛與異構(gòu)醛的比例為1：1。在后續(xù)的研究中設(shè)計(jì)了新型的Rh1/CeO2單原子催化劑，通過(guò)與水汽變換反應(yīng)耦合可將正異比提高至3：1（如Figure 1所示）。由此可知，精準(zhǔn)合成特定結(jié)構(gòu)的單原子催化劑，控制其在氫甲酰化反應(yīng)中的區(qū)域選擇性是該研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。近日，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院梁觀峰副研究員和陳芬兒院士利用均多相融合的策略合成了一種P修飾的Rh單原子催化劑Rh1/PNP-ND，并將其應(yīng)用于芳基乙烯氫甲?；磻?yīng)中，在溫和的反應(yīng)條件下實(shí)現(xiàn)了高區(qū)域選擇性的制備異構(gòu)醛-2-芳基丙醛，其選擇性高達(dá)94%，可與目前主流的均相Rh基絡(luò)合物催化劑相媲美。該催化劑還顯示出了良好的底物普適性和循環(huán)穩(wěn)定性，利用該催化劑成功實(shí)現(xiàn)了兩種藥物分子布洛芬和芬地林的高效合成，拓展了單原子催化劑在有機(jī)合成，特別是藥物分子合成的應(yīng)用。首先作者選取了可分散性納米金剛石作為載體，利用納米金剛石表面豐富的羧基官能團(tuán)固載含氮的雙膦配體，合成了表面P修飾的碳載體材料，為下一步Rh的高分散錨定提供了大量的位點(diǎn)。結(jié)合31P固體核磁表征結(jié)果可知在錨定Rh原子之后P的化學(xué)位移向低場(chǎng)區(qū)遷移，證實(shí)了Rh單原子通過(guò)Rh-P鍵錨定在納米金剛石上，且電子從P轉(zhuǎn)移到Rh上。同時(shí)利用球差校正透射電鏡也直觀的驗(yàn)證了單原子Rh在納米金剛石載體上的高分散性，其形貌如Figure 2所示。X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）譜結(jié)果顯示Rh1/PNP-ND催化劑上沒(méi)有出現(xiàn)Rh-Rh鍵，也很好的驗(yàn)證了Rh原子的單分散性，擬合結(jié)果表明Rh原子與P的配位數(shù)為1.6，與C/O的配位數(shù)為4.0。合成的Rh1/PNP-ND對(duì)苯乙烯及其它芳基乙烯氫甲?；磻?yīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的區(qū)域選擇性和底物普適性，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)物為異構(gòu)醛2-芳基丙醛，選擇性>90%。最后，該催化劑成功實(shí)現(xiàn)了兩種藥物分子布洛芬和芬地林的高效合成，驗(yàn)證了單原子催化劑在復(fù)雜有機(jī)反應(yīng)中應(yīng)用的可行性 (見(jiàn)Figure 4)。Figure 1 The established Rh SACs (a and b) and the present Rh1/PNP-ND catalyst (c) for regioselective hydroformylation of vinyl arylenes.
Figure. 2 Structure and Morphology characterization of Rh1/PNP-ND. a TEM image. b HAADF-STEM image. c-f AC-HAADF-STEM images.Figure 3 The Rh XAS data of Rh1/PNP-ND and standard Rh materials. a The normalized XANES spectra at the Rh K-edge of the Rh1/PNP-ND, [Rh(COD)Cl]2, Rh2O3, and Rh foil. b The Fourier transform of k2-weighted EXAFS spectra at the K-edge of the Rh1/PNP-ND, [Rh(COD)Cl]2, Rh2O3, and Rh foil. c The experimental Rh EXAFS spectra (black line) and the fitting curve of Rh1/PNP-ND (red line).Figure 4 The synthetic routes for Ibuprofen and Fendiline via Rh1/PNP-ND catalyzed hydorformylation.Figure 5 Free energy profiles of the branched, and linear reaction pathways for styrene hydroformylation有關(guān)單原子催化劑構(gòu)效關(guān)系研究的一點(diǎn)心得體會(huì)單原子催化劑為在真實(shí)反應(yīng)體系下研究構(gòu)效關(guān)系提供了一個(gè)絕佳的機(jī)遇和理想的模型，相比于氣固相反應(yīng)，在氣固液三相且多分子參與的反應(yīng)體系中如何研究構(gòu)效關(guān)系則顯得更為復(fù)雜。由此可知，合成結(jié)構(gòu)均一、具有等同化學(xué)環(huán)境的金屬單原子模型催化劑變得尤為關(guān)鍵。在本研究中我們通過(guò)借鑒均相催化中配體合成的經(jīng)驗(yàn)，利用精準(zhǔn)合成的手段在納米金剛石表面建立類均相的錨定位點(diǎn)，為單原子Rh提供了相同的局域化學(xué)微環(huán)境，同時(shí)利用P-Rh配位鍵實(shí)現(xiàn)了對(duì)單原子Rh電荷密度的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了Rh單原子的精準(zhǔn)均一制備，這是后續(xù)研究構(gòu)效關(guān)系的基礎(chǔ)。在CO-DRIFTs中探針?lè)肿覥O在Rh單原子上形成了雙羰基Rh(CO)2Lx化合物，這是Rh單原子一個(gè)非常明顯的特點(diǎn)。我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Rh單原子所處的化學(xué)環(huán)境不同，兩個(gè)CO分子吸附的夾角(2ɑ)是不同的，例如在Rh1/ZnO上2ɑ=94°, 而在Rh1/PNP-ND上2ɑ增大到了104°，接近了CO在一些五配位的Rh雙羰基絡(luò)合物上的夾角（三角雙錐構(gòu)型，2ɑ=120°）。在氫甲?；磻?yīng)中特定結(jié)構(gòu)的Rh單原子催化劑表現(xiàn)出了特定的異構(gòu)醛區(qū)域選擇性，為了探明這一原因，我們進(jìn)一步結(jié)合理論計(jì)算進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)在苯乙烯氫甲?；磻?yīng)中，Rh上氫物種的轉(zhuǎn)移是反應(yīng)的決速步，也是決定區(qū)域選擇性的關(guān)鍵，如Figure 5中所示，生成支鏈醛的過(guò)渡態(tài)TS 2-4活化能較低，在動(dòng)力學(xué)上是有利的。此外支鏈醛的中間體4的Gibbs自由能遠(yuǎn)低于直鏈醛的中間體3，說(shuō)明了該過(guò)程在熱力學(xué)上也是有利的。梁觀峰，男，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系青年副研究員。主要研究方向?yàn)椋簹浼柞；磻?yīng)及其在藥物合成中的應(yīng)用、新型單原子催化劑的制備及其構(gòu)效關(guān)系研究。2014年于中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師為趙鳳玉研究員。2014-2018年分別于中科院大連化物所張濤院士團(tuán)隊(duì)和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心固體表面與催化研究所Andrei Khodakov組從事博士后研究工作。2018年進(jìn)入復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，擔(dān)任青年副研究員。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)，省部級(jí)基金2項(xiàng)。以第一/通訊作者在Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Green Chem., J. Catal., ACS Catal.等國(guó)際知名期刊發(fā)表論文十余篇。擔(dān)任Green Synthesis & Catalysis青年編委。
陳芬兒，中國(guó)工程院院士，復(fù)旦大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。1985年先后在華西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院和四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院獲藥物化學(xué)碩士學(xué)位和有機(jī)化學(xué)博士學(xué)位。1995、1996年先后在美國(guó) Washington University 和英國(guó)King's College London作訪問(wèn)學(xué)者。兼任上海市藥學(xué)會(huì)藥物化學(xué)專委會(huì)主任委員，Green Synthesis &Catalysis, Pharmaceutical Fronts 主編，Chinese Chemical Letters, 《中國(guó)藥學(xué)（英文版》，《中國(guó)藥物化學(xué)雜志》副主編。以第一完成人獲國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、中國(guó)專利金獎(jiǎng)1項(xiàng)。在Chem Rev, Angew Chem Int Ed，Nature Commun.，ACS Sustain. Chem. Eng，Med Res Rev, J Med Chem, Acta Pharm Sin B, ACS Infect Dis, Curr Opin Pharmacol, Adv Syn Catal, Org Lett,J Org Chem, Eur J Med Chem等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，已申請(qǐng)中國(guó)、美國(guó)、歐盟等發(fā)明專利200余項(xiàng)，授權(quán)中外專利101件，主參編學(xué)術(shù)著作8部。獲得何梁何利科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，全國(guó)優(yōu)秀科技工作者、上海市十大科技精英、全國(guó)化工先進(jìn)工作者等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)與榮譽(yù)。
