AmBeed文献解读|JACS

计算方法可以预测镍催化交叉亲电偶联催化剂的改进

      Matthew S. Sigman，Eric C. Hansen和Daniel J. Weix课题组，于2024年1月26日，在JACS发表题为《Computational Methods Enable the Prediction of Improved Catalysts for Nickel-Catalyzed Cross-Electrophile Coupling》的文献。

研究背景：

       交叉亲电偶联反应是高效合成C(sp²)−C(sp³)键的方法，通常由含氮配体的镍配合物催化，近年来，人们对更多样化的联吡啶配体的兴趣逐渐增加(图1A)。尽管对交叉亲电偶联反应体系进行了广泛的优化和扩展，可以使用新的底物类别，但C(sp²)组分的二聚化仍然是一个问题。缓慢的自由基捕获过程可能会让中间体芳基镍(II)发生竞争性的芳基交换(图1B)。为了解决这一问题，可以使用多金属催化剂体系，其中一个催化剂专门负责生成烷基自由基，另一个促进C(sp²)偶联并有助于形成所需的C-C键。另一方法是添加化学计量的添加剂，如邻苯二甲酰亚胺或吡啶衍生物，这些添加剂可以钝化芳基镍中间体，降低歧化反应的速率(图1C)。然而，更有吸引力的方法是系统地开发更具选择性的单原子催化剂。

图 1

研究内容：

       作者首先选择了烷基溴化物与芳基溴化物的交叉亲电偶联作为模板反应，来研究配体结构对反应性能的影响。通过筛选一系列取代的联吡啶和相关配体，发现配体的电子特性和空间结构对其选择性有显著影响。特别是采用前线分子轨道理论或其算术组合的参数，作者发现化学势（μ）的单变量相关性可以很好地预测反应选择性（图2）。

图 2

        作者还探讨了通过引入非对称取代的联吡啶配体来减少对称配体数据集中的共线性问题，并发现非对称配体的选择性主要由最缺电子的吡啶单元决定。自然布局分析电荷(NPA_Cipso)来更准确地预测已知配体的选择性，还能够通过外推预测新设计配体的性能（图3）。

图 3

      作者通过模型外推预测了一系列改进的4,4′-双(二烷基氨基)-2,2′-联吡啶配体L1、L2、L3、L4、L5(该产品来自于AmBeed品牌)的选择性，并在实验中验证了这些预测(图4)。这些新配体不仅提高了选择性和反应产率，而且可以被广泛地应用于多种交叉亲电偶联反应中。

图 4

全文总结：

      作者利用计算和统计方法开发了一个用于预测镍催化交叉亲电偶联反应中配体选择性的模型。探讨了如何通过引入非对称取代的联吡啶来解决对称配体数据集中的共线性问题，并发现最缺电子的吡啶单元的配体选择性可以通过自然布局分析电荷(NPA_Cipso)来更准确地预测。作者鉴定了一系列改进的4,4′-双(二烷基氨基)-2,2′-联吡啶配体，这些配体与目前的联吡啶配体相比，在选择性和产率上显著提升。

     文献链接：http://doi.org/10.1021/jacs.3c09554