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底物的高度選擇性問題（鎖鑰現(xiàn)象)的同時取得類似于酶的反應(yīng)催化活性。與此同時，四氧化鋨催化的烯烴不對稱雙羥化反應(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稱雙羥化反應(yīng)（AD）與鈦催化的不對稱烯丙醇環(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，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)是如何在一個催化反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)快速以及高對映選擇性的獲得相應(yīng)產(chǎn)物的。對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）都會對反應(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，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€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)生的單一對映選擇性的產(chǎn)物的量將會遠(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)對反應(yīng)產(chǎn)物對映選擇性的控制。盡管在反應(yīng)體系中存在著多種催化活性物種，這其中有單一對映選擇性的催化劑以及沒有對映選擇性的催化劑，也不會影響我們對終產(chǎn)物的對映選擇控制。即使在配體加速效應(yīng)（LAE）影響較小的情況下，我們依然可以對反應(yīng)的對映選擇性進(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)為這一不對稱催化反應(yīng)具有潛在的應(yīng)用價值。因?yàn)閷τ诜洗艘蟮拇呋磻?yīng)而言，由配體驅(qū)動的催化過程所產(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%。

然而對于目前大多數(shù)不對稱催化反應(yīng)而言，并沒有觀察到明顯的配體加速現(xiàn)象，即vML/vM≤1。對于這些不對稱催化反應(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。