▲第一作者：Samuel H. Newman-Stonebrakert, Sleight Smith
通訊作者：Abigail G. Doyle, Matthew Sigman
通訊機關：美國普林斯頓大學, 美國猶他大學
DOI: 10.1126/science.abj4213
<h1>背景介紹</h1>
通過使用資料驅動的模組化可以了解化學結構和反應性之間的複雜關系。對于許多反應，描述符(描述亞基或分子整體的數學方法)和化學反應性之間存在持續的依賴關系，然而，有些過程表現出反應性懸崖，其中必須滿足給定描述符的标準或門檻值才能發生反應。過渡金屬催化交叉偶聯是識别反應性懸崖的一個相關案例研究，由于其在藥物和材料的合成中有廣泛的應用，這類反應在合成方面非常重要。此外，這些反應的成功高度依賴于輔助配體，單齒膦是其中最常用的配體。目前已開發了許多工具來定量描述單齒膦的不同空間和電子性質，用于關聯交叉耦合資料集中的結構-反應性趨勢。然而，在某些情況下，看似相似的配體會産生本質上不同的反應，這表明配體反應存在不連續性。
<h1>本文亮點</h1>
● 本文作者根據金屬是否優先配位于一個或兩個膦（即催化劑連接配接狀态），将11個鎳和钯催化的交叉偶聯資料集分為活性區和非活性區。
● 盡管%Vbur描述金屬中心3.5Å内任何給定配體結構的空間體，%Vbur(min)，一個之前未探索過的描述符變體，量化了所有配體能量可達構象中最小的%Vbur，可以将相似門檻值的資料集劃分為活性區和非活性區。
● 該分析揭示了有機金屬化學中非直覺的趨勢，進而可以作為了解和預測交叉偶聯催化中單齒膦的結構、反應活性關系和催化劑連接配接狀态的重要機制工具。
<h1>圖文解析</h1>
過渡金屬催化交叉偶聯反應的成功與否，在很大程度上取決于輔助配體的特性，其中最常用的是單齒膦（圖1A）。鑒于存在數千個獨特的結構執行個體，化學家開發了許多工具來定量描述單齒膦的不同空間和電子性質，這些描述符包括托爾曼錐角、立體角、立體角和埋置體積百分比（%Vbur）（圖1B）。使用Gensch等人（kraken）最近開發的有機磷（III）描述符庫，該庫擁有數千個單齒膦的近200個構象代表性描述符（圖1C），作者能夠根據金屬優先配位于一個或兩個磷化氫（即催化劑連接配接狀态），将11個鎳和钯催化的交叉偶聯資料集分為活性區和非活性區。該分析可以作為了解和預測交叉偶聯催化中單齒膦的結構-反應性關系和催化劑連接配接狀态的重要機制工具(圖1D)。
▲圖1 用結構描述符研究膦配體的反應性。
作者基于Doyle實驗室最初研究的19個膦，添加了15個額外的配體，以覆寫整個%Vbur範圍(反應I;圖2A)。利用這些資料，作者試圖确定kraken空間描述符與反應性能的關系。對于每個反應，收率是根據庫中的代表性描述符進行評估的；例如，錐角、配體構象系的玻爾茲曼平均%Vbur[%Vbur(Boltz)]，和埋體積最小的庫構象[%Vbur (min)]（圖2B）。
▲圖2 鎳催化資料集中膦空間參數的研究。
接下來，作者研究了鎳催化SMC反應中使用的配體子集（28個膦），以光譜法确定連接配接狀态。選擇LnNi(4-氟苯甲醛)作為平台，因為它的三個核磁共振(1H，19F，31P)提供了在金屬中心的原位連接配接狀态。Ni(COD)2 (COD，1,5-環辛二烯)與醛和兩當量膦反應(反應VI；圖3)的讀數（圖3A）。根據觀察到的譜圖，将每個配體指定為形成L2Ni或L1Ni絡合物。然後利用庫中的空間特征對這些實驗的結果進行評估，以确定哪些實驗将配體劃分為具有類似連接配接狀态的區域（圖3B）。
▲圖3 配體狀态研究。
接下來，作者通過結晶學和計算研究（配合物1至4；圖4A），試圖了解%Vbur(min)的結構重要性。對于L1Ni-forming P(t-Bu)3，最低能量構象的%Vbur值和所有構象的Boltzmann權重平均值（分别為38.7%和39.5%）均顯著高于其他L2Ni形成配體的值，甚至高于L1Ni形成P(t-Bu)3的%Vbur(Boltz)（36.3%）。然而，[P(i-Bu)3]2Ni(2-naphthaldehyde)（5；圖4B）的x射線晶體結構證明兩個磷化氫與Ni結合，測定的%Vbur值分别為29.0%和32.2%，幾乎與%Vbur(min)相比對。以Cy2P(t-Bu)為參考，用DFT計算了20個L2Ni(苯甲醛)配合物的配體解離自由能(ΔGdissoc)（圖4C）。
▲圖4 配體狀态門檻值%Vbur(min)的機理研究。
接下來，作者生成了兩個钯催化SMC（反應VIII和IX；圖5A）與芳基鹵化物的資料集，包括一個與空間位阻偶聯的反應，以及一個Buchwald-Hartwig胺化的資料集（反應X；圖5A）。對于這兩種SMC，分類工具顯示門檻值約為%Vbur(min)，活性區域出現在該值以上，表明有效催化需要由%Vbur(min)定義的較大配體（反應VIII和IX；圖5B）。
▲圖5 钯催化交叉偶聯反應的門檻值分析。
圖6總結了本文研究的每個資料集的門檻值和方向性。通過對Ni和Pd催化反應的比較，揭示了Ni和Pd催化反應的幾個有趣的機理特征，以及更普遍的膦空間效應。首先，Ni和Pd催化的芳基鹵化物SMC反應(反應II到V、VIII和IX)的門檻值方向相反，表明兩種金屬對該反應的連接配接态要求不同。是以，分類工作流程提供了一種方法來比較鎳和钯，并闡明每一種金屬通常需要的正交配體設計原則。
▲圖6 反應性門檻值概述。
原文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj4213