配體是如何加速催化反應(yīng)的？

1.前言：

距離發(fā)現(xiàn)鈦催化的不對(duì)稱烯丙醇環(huán)氧化反應(yīng)（AE）已經(jīng)超過十年了。為了理解這一反應(yīng)的反應(yīng)過程以及進(jìn)一步拓展這一反應(yīng)的應(yīng)用范圍，我們對(duì)這一反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了研究。其中一些研究成果已經(jīng)被應(yīng)用在化學(xué)合成之中。鈦催化的不對(duì)稱烯丙醇環(huán)氧化反應(yīng)（AE）的發(fā)現(xiàn)證明了非生物催化劑可以克服酶對(duì)底物的高度選擇性問題（鎖鑰現(xiàn)象)的同時(shí)取得類似于酶的反應(yīng)催化活性。與此同時(shí)，四氧化鋨催化的烯烴不對(duì)稱雙羥化反應(yīng)（AD）也引起了我們的注意。乍一眼看去，四氧化鋨催化的烯烴不對(duì)稱雙羥化反應(yīng)（AD）與鈦催化的不對(duì)稱烯丙醇環(huán)氧化反應(yīng)（AE）似乎除了都是在前手性的烯烴上以對(duì)映選擇性的方式引入雜原子之外沒有任何的共同之處。然而，有一個(gè)特別的現(xiàn)象使得這兩反應(yīng)不可逆的聯(lián)系到了一起。這一現(xiàn)象就是他們都是配體加速的催化反應(yīng)（LAC）。與此同時(shí)，這兩反應(yīng)的成功很大一部原因都要?dú)w功于這一現(xiàn)象的存在。

這篇文章的目的是通過這些反應(yīng)實(shí)例以及其他的一些重要的例子來展示配體加速效應(yīng)是如何在一個(gè)催化反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)快速以及高對(duì)映選擇性的獲得相應(yīng)產(chǎn)物的。對(duì)于配體加速的催化反應(yīng)（LAC）的簡單描述將在第二節(jié)中給出。

2.基本概念：

在配體加速的催化反應(yīng)（LAC）中，特定配體的加入可以加快已有的催化反應(yīng)的反應(yīng)速率。在這反應(yīng)過程中，配體加速的催化反應(yīng)（LAC）過程以及基礎(chǔ)的催化轉(zhuǎn)化過程是同時(shí)存在的，并且這兩種催化反應(yīng)過程呈現(xiàn)出相互競爭的狀態(tài)。這一反應(yīng)過程可以用下圖來表示

對(duì)于催化反應(yīng)而言，結(jié)合在金屬中心或者復(fù)合物的配體的性質(zhì)總是能影響由這一物種催化的有機(jī)轉(zhuǎn)化過程的速率以及選擇性的。當(dāng)配體與具有催化活性的金屬或復(fù)合物結(jié)合后，這一物種參與的催化反應(yīng)的反應(yīng)速率與沒加入配體之前的催化反應(yīng)的反應(yīng)速率相比可以是降低的，可以是相同的，也可以是加快的。其中配體加速的催化過程可以極大的提高反應(yīng)的效率。

對(duì)于配體加速效應(yīng)的簡單的定義可以由以下等式給出。當(dāng)加入配體后，與配體結(jié)合后的物種催化的反應(yīng)的反應(yīng)速率vML與未與配體結(jié)合的金屬或復(fù)合物催化的反應(yīng)的反應(yīng)速率vM相比，該比值應(yīng)該大于1。對(duì)于配體減速效應(yīng)也可以有相似的方式給出定義，即當(dāng)與配體絡(luò)合后的物種催化的反應(yīng)的反應(yīng)速率vML與未與配體結(jié)合的金屬或復(fù)合物催化的反應(yīng)的反應(yīng)速率vM相比

配體與金屬或者復(fù)合物的結(jié)合往往伴隨這快速的配體交換過程。因此，催化活性物種催化的反應(yīng)的微觀速率常數(shù)（k0和k1）以及催化劑與配體的平衡絡(luò)合常數(shù)（Keq）都會(huì)對(duì)反應(yīng)整體表現(xiàn)出來的宏觀配體加速效應(yīng)（LAE）產(chǎn)生影響。

當(dāng)加入的配體能影響反應(yīng)終產(chǎn)物的立體選擇性時(shí)，配體加速效應(yīng)（LAE）為我們提供了吸引人的可能性。因?yàn)槿绻粋€(gè)催化反應(yīng)的速率的提升是由與手性配體結(jié)合生成的手性物種導(dǎo)致的，那么經(jīng)由這一手性物種催化產(chǎn)生的單一對(duì)映選擇性的產(chǎn)物的量將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)由未與配體結(jié)合的催化劑物種催化產(chǎn)生的消旋的產(chǎn)物的量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)映選擇性的控制。盡管在反應(yīng)體系中存在著多種催化活性物種，這其中有單一對(duì)映選擇性的催化劑以及沒有對(duì)映選擇性的催化劑，也不會(huì)影響我們對(duì)終產(chǎn)物的對(duì)映選擇控制。即使在配體加速效應(yīng)（LAE）影響較小的情況下，我們依然可以對(duì)反應(yīng)的對(duì)映選擇性進(jìn)行很好的控制。通常來說，加入手性配體后，利用Equation 2求得的數(shù)值大于等于20，我們就認(rèn)為這一不對(duì)稱催化反應(yīng)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)閷?duì)于符合此要求的催化反應(yīng)而言，由配體驅(qū)動(dòng)的催化過程所產(chǎn)生的產(chǎn)物應(yīng)該占總產(chǎn)物的95%以上。因此在理想情況下，該不對(duì)稱催化反應(yīng)終所得的產(chǎn)物的ee值將大于等于95%。

然而對(duì)于目前大多數(shù)不對(duì)稱催化反應(yīng)而言，并沒有觀察到明顯的配體加速現(xiàn)象，即vML/vM≤1。對(duì)于這些不對(duì)稱催化反應(yīng)而言，為了建立有效的手性環(huán)境，往往需要在反應(yīng)中加入大量配體。而這些配體的加入會(huì)在催化劑活性中心周圍產(chǎn)生額外的空間位阻效應(yīng)，從而導(dǎo)致催化速率的下降。