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近日，宁波大学新药技术研究院赵玉芬院士和王永研究员团队与韩国梨花女子大学Wonwoo Nam教授合作，运用密度泛函理论计算对Brønsted 酸辅助非血红素三价钴-亚碘酰苯加合物氧化苯乙烯的反应机理进行系统性研究。首次将生物化学中低能垒氢键(Low-Barrier Hydrogen Bond，LBHB)概念引入到非血红素仿生氧化反应体系中，揭示了三氟甲磺酸与钴-亚碘酰苯加合物形成低能垒氢键产生两种共振价键结构(1_LBHB和1′_LBHB)作为氧化剂参与反应。1_LBHB和1′_LBHB氧化苯乙烯具有自旋选择性，低自旋时生成环氧化产物，高自旋时生产醛产物，其中1′_LBHB作为活性中间体将苯乙烯氧化生成苯乙醛为优势通道，是一种键耦合电子转移(BFCET）机理。相关成果以“Brønsted Acids Promote Olefin Oxidations by Bioinspired Nonheme Co^III(PhIO)(OH) Complexes: A Role for Low-Barrier Hydrogen Bonds”为题，发表在《美国化学会志》杂志上。

酸在非血红素仿生催化体系中发挥着重要作用，不仅能有效地提高非血红素仿生催化剂催化效率，还可以有效地抑制其他副产物的生物的生成，除此之外，酸可以改变高价金属氧化物质子化状态，增加单电子氧化还原势与氧化剂形成加和物等^[1-3]。2020年，Wonwoo Nam课题组发现加入三氟甲磺酸之后，钴-亚碘酰苯复合物[Co^III(TQA)(OIPh)(OH)]²⁺变成了一种高效的、具有两性反应性的氧化剂，同时在苯乙烯的氧化过程中产物为苯乙醛，而非环氧化产物^[4]。但是，金属-亚碘酰苯加合物的构效关系以及Brønsted 酸促进效应的分子机制尚未有相关的报道，从而成为此次理论研究的契机。

图 1. 三氟甲磺酸存在时生成两种共振价键结构(1_LBHB和1′_LBHB)的结构信息

在此项研究中，基于非血红素三价钴-亚碘酰苯加合物的晶体结构[Co^III(TQA)(OIPh)(OH)]²⁺（1），作者发现在HOTf存在时，HOTf会与1配位的羟基形成一种低能垒氢键（LBHB），O-O键的距离< 2.55 Å, 并且H可以在两个氧之间自由的移动，形成两种共振价键结构 1_LBHB 和1′_LBHB，二者能量相近（-1.7/0.4 kcal mol^-1 in SCF/free energy），说明两种共振结构均可以稳定存在。随后两种化合物碘-氧键断裂过程的结果显示无论从动力学还是在热力学角度，断键反应都难以实现，从而排除了高价钴-氧复合物作为活性中间体的可能性。

图 2. 1′_LBHB作为活性中间体氧化苯乙烯的详细反应过程

随后，作者直接以1_HBLB和1′_HBLB作为中间体，系统的探究了两种中间体氧化苯乙烯的过程。研究结果表明烯烃氧化产物具有自旋态选择性，低自旋态下（S=0），产物均为环氧化产物，而在高自旋态下（S=1和S=2），产物均为苯乙醛，但由于生成苯乙醛所需要克服的能垒过高（> 35 kcal mol^-1），故无法得到环氧化产物。1′_LBHB作为真正的氧化剂，生成醛通道的决速步骤为键耦合电子转移（BFCET）机制，生成一种新颖的亚碘酰苯-苯乙烯自由基中间体，随后进行分子内的重排生成醛产物。该决速步骤的能垒为12.2 kcal mol^-1，比1_LBHB 作为氧化剂参与反应的能量低9.1 kcal mol^-1。经结构分析发现，1_LBHB和1′_LBHB 的活性中受配体OH^-和H₂O与PhIO的卤键作用调节，由于1_HBLB中I与H₂O的卤素键较弱，使得1′_HBLB比1_HBLB催化苯乙烯氧化效果更好。因此，两种共振价键结构中的1′_LBHB 作为真正的活性中间体。这些新的发现将丰富人们对非血红素化学和高价碘化学的认知，并将对非血红素仿生催化剂的设计具有重要的指导作用。

宁波大学新药技术研究院为该论文第一署名单位，第一作者为孙冬茹助理研究员，王永研究员和韩国梨花女子大学Wonwoo Nam院士为共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金，浙江省青年科学基金，宁波市自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12307

论文信息：Dongru Sun, Zhimin Wu, Xuan Zhang, Jindou Yang, Yufen Zhao, Wonwoo Nam,* and Yong Wang*, Bronsted Acids Promote Olefin Oxidations by Bioinspired Nonheme Co^III(PhIO)(OH) Complexes: A Role for Low-Barrier Hydrogen Bonds, J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 5739−5749.

参考文献

[1] Jacobsen, E. N et al., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 7194-7195.

[2] Busch, D. H et al., J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16245-16253.

[3] Nam, W et al., J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 3903-3911.

[4] Nam, W et al., Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 13581-13585.