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弱非共价(jia)吸引相互作用（单个作(zuo)用力一般小于(yu)5 kcal/mol），特别是CH⋯HC色散相互作用（单个作用力一般小于1 kcal/mol），长期以来(lai)被强的共(gong)价键(jian)（大(da)于(yu)40 kcal/mol）和(he)传统氢键(jian)（3-30 kcal/mol）所掩(yan)盖(gai)，难以在(zai)复(fu)杂(za)键(jian)合网络中被检测到（图(tu)2）。自2001年Noyori等人首次报道(dao)η⁶-芳烃配体(ti)与底物(wu)之间(jian)的CH⋯π相互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)在钌(liao)催化转(zhuan)移(yi)氢化反应中(zhong)的关键作(zuo)(zuo)用(yong)以(yi)来，这一领域逐渐受到广泛关注。特(te)别是随(sui)着密度泛函理论（DFT）计(ji)算技术(shu)的发展，包括独立梯度模型（LGM）和能量(liang)分(fen)解分(fen)析（EDA）等(deng)方法的引入，使得研究者(zhe)能够更加深入地理解这些(xie)弱相互作用通过降(jiang)低关(guan)键过渡态能垒来提高(gao)催化活(huo)性和/或对映选择性的机制（图3-4）。

图2 不同相(xiang)互作用能量的(de)大致范(fan)围

图3 通过弱非共价吸引(yin)相互(hu)作用(yong)降低过(guo)渡态（TS）的(de)能垒

图4弱吸引(yin)相互作用(yong)促进(jin)的不对称氢(qing)化反(fan)应

1.π⋯HC/π和CH⋯O/N弱(ruo)相(xiang)互作用(yong)在稀(xi)有金属催化(hua)氢化(hua)体系中的协同促进(jin)作用(yong)

在稀(xi)有金属催化(hua)体系中，π⋯HC/π和CH⋯O/N非共价相(xiang)互(hu)作用展现出显著的调(diao)控效果。Noyori课题(ti)组(zu)的(de)研究表明(ming)，钌（Ru）催化(hua)(hua)芳(fang)香族羰基化(hua)(hua)合物转移(yi)氢化(hua)(hua)反应的(de)对映选择性(xing)(xing)不仅源于五元螯合环的(de)手性(xing)(xing)几何形状，还(hai)受益于η⁶-芳烃配体与羰基芳基取代基之间的CH⋯π吸引作用(Angew.Chem.Int.Ed.2001,40,2818–2821)（图(tu)5）。这一发现为(wei)后续(xu)研究奠定了(le)基础(chu)，推动了(le)钌（Ru）、铑（Rh）、铱（Ir）等稀(xi)有金属催化体系中弱相互作用调控(kong)机制的系统研究。

接下来，本章系(xi)统综述了在氢气条件下，π⋯HC/π和CH⋯O/N非共(gong)价吸引相互(hu)作用促进的一系列稀有金属(shu)（Ru、Rh、Ir）催化不对称(cheng)氢(qing)化反应(ying)的研究进展。

图5CH⋯π相互作(zuo)用(yong)在手性Ru(II)络合物催(cui)化芳(fang)香羰基化合物转移(yi)加(jia)氢中的对映(ying)选择(ze)性影响(xiang)

2.π⋯HC/π和CH⋯O/N弱(ruo)相互作(zuo)用在丰产金属催化(hua)氢化体系中的协同促(cu)进作用

随着可持续发(fa)展理念的(de)(de)深入，基于(yu)地(di)壳中(zhong)含(han)量丰(feng)富的(de)(de)金(jin)属（锰、铁、钴(gu)、镍和铜等）的(de)(de)环(huan)境友好型(xing)催化(hua)剂成(cheng)为研(yan)究热点(dian)。然(ran)而，这些体系在(zai)不对(dui)称氢化(hua)反应中(zhong)往往表现出(chu)较低的(de)(de)催化(hua)活性。2020年，丁(ding)奎岭院士(shi)团(tuan)队通过(guo)引入(ru)π⋯π相互作用，经过(guo)动(dong)态(tai)动(dong)力学(xue)拆(chai)分（DKR）过程，成(cheng)功实现了锰（Mn）催化(hua)α-取代β-酮(tong)酰胺的高效不对称氢化反应（Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,15565–15569）。DFT研究表明，在(zai)最稳(wen)定的过渡态TS-(SR)中，来自底物和催化剂(ji)的芳香环几乎共面排(pai)列，这(zhei)促进了有(you)效的π⋯π相互作用显(xian)著稳定了过渡态(tai)，而在TS-(RS)中则明显缺乏这种作(zuo)用。此外，底物的α-Me或Ph基团与催(cui)化(hua)剂之间的空间排斥力阻碍(ai)了(le)顺(shun)式TS-(SS)和TS-(RR)过渡态的形成(cheng)（图6）。

接下(xia)来(lai)，本章详(xiang)细阐述了在π⋯HC/π和CH⋯O/N非共(gong)价相互作用协同促(cu)进(jin)下，锰（Mn）、钴（Co）等丰产金属催化(hua)的不对称(cheng)氢化(hua)反应的研究进(jin)展。

图6π⋯π相互作用促进锰催化的α-取代β-酮(tong)酰胺的(de)不对(dui)称(cheng)氢化反(fan)应(ying)

3.CH⋯HC色散相(xiang)互作用(yong)在稀有金属催(cui)化(hua)氢化(hua)体系中的协(xie)同促进作用

自21世纪初以来(lai)，π⋯HC/π和CH⋯O/N非共价相互作用在提(ti)高(gao)氢化(hua)反应活性和对映选(xuan)择性方面的(de)关键作用已得(de)到广泛证实。然(ran)而，直(zhi)到最近(jin)，研(yan)究者们才发现(xian)即(ji)使是(shi)能(neng)量最弱的(de)CH⋯HC色散相(xiang)互(hu)作用，通过(guo)其(qi)累(lei)积效(xiao)应(ying)——即“多重(zhong)吸引色散相(xiang)互(hu)作用”——也(ye)能显著提升催化反应(ying)的(de)(de)效(xiao)果(guo)。这些弱相(xiang)互(hu)作用通过(guo)有(you)效(xiao)降低关键(jian)过(guo)渡态的(de)(de)能垒，对(dui)氢化反应(ying)的(de)(de)活性和/或对映选(xuan)择性(xing)产生了深远(yuan)影响。

在(zai)这一研究领域中，张万(wan)斌教授课题(ti)组取得了一系列重要进展。2013年(nian)，他们在(zai)钯(ba)（Pd）催化(hua)含有叔丁基（t-Bu）酯基取代的羰基酮的不对称氢化(hua)反应(ying)中发(fa)现，使用(yong)较小取代基的配体(ti)(R)-SegPhos时反应完全无法进行，而采(cai)用含有t-Bu大位阻取代基的(R)-DTBM-SegPhos时则获得了(le)优异的结果（Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52, 11632–11636）（图7）。

基于这一有趣的(de)发现，张万(wan)斌课题(ti)组(zu)在2018年进一步发展了具有t-Bu取代基(ji)的(R, R)-QuinoxP*-Pd催化剂体系，成功实现了(le)大位阻(zu)亚(ya)胺（如t-Bu、t-Am、1-Ad等）的高(gao)效(xiao)不对(dui)称氢化反(fan)应，获得了(le)高(gao)达5000的TON和大于99%的对(dui)映选择性(xing)（Nat. Commun.2018, 9, 5000）。通过DFT计算，研(yan)究团队(dui)首次从(cong)理(li)论(lun)上证实了(le)CH⋯HC色散(san)相互作用在促进该反应顺利进行(xing)中的关键作用。

2023年，K. N. Houk和杨丽敏等对Pd催化t-Bu酯基取代的羰(tang)基酮(tong)不对(dui)称氢化反应(ying)（Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52, 11632–11636）进行(xing)了(le)深入的EDA研(yan)究，为这些(xie)弱相互作用的能量贡献提供(gong)了(le)定(ding)量证据（Org. Chem. Front.2023, 10, 3485–3490）。研究表(biao)明(ming)，在(zai)使用(R)-DTBM-Segphos-Pd络合物(wu)时(shi)，过渡态TSA与使用(yong)(R)-Segphos-Pd络合(he)物的过渡态TSB相比(bi)，色散作用能量差（ΔE_disp）达(da)到-8.93 kcal/mol。这一显(xian)著(zhu)的色散(san)作用能量差(cha)异是(shi)降(jiang)低TSA反应能垒的主要因素(su)，为反应的高效(xiao)进行提供(gong)了关(guan)键驱(qu)动力（图7）。

本(ben)章还系统综述了(le)CH⋯HC色散(san)相(xiang)互作(zuo)用在其他(ta)稀(xi)有(you)金属催化不(bu)对称氢化反应中的调(diao)控(kong)作(zuo)用。研(yan)究(jiu)表明，这一(yi)弱(ruo)相(xiang)互作(zuo)用在钌（Ru）、铑（Rh）等催化体系中同样发(fa)挥着重要作用。

图7 CH⋯HC色散相互作用促进钯催化(hua)不对称氢化(hua)反应

4.CH⋯HC色散相(xiang)互(hu)作用在丰产(chan)金属(shu)催化氢化体系中(zhong)的协(xie)同促进作用

基于CH⋯HC色散相互作用(yong)在(zai)钯催化体系中(zhong)的成功应用(yong)，张万斌课题(ti)组将该策略拓展(zhan)至丰产金属催(cui)化(hua)氢化体系。2019年，他们(men)利用(yong)具有t-Bu取代基的(R,R)-QuinoxP*手性(xing)配(pei)体，成功实现了N-t-Bu磺酰亚胺等底(di)物的高效镍（Ni）催(cui)化不对称氢(qing)化反应（Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 7329–7334）。该催化体(ti)系表(biao)现出卓越的反应活性，达到了(le)高达10500的TON（转化数），充(chong)分(fen)展示了(le)镍催化体(ti)系在不对(dui)称氢化反应中(zhong)的巨(ju)大潜力(li)。

通(tong)过(guo)深入(ru)的(de)DFT理论计(ji)(ji)算(suan)研(yan)究，研(yan)究团(tuan)队揭示了反应机(ji)理的关键细节。计(ji)(ji)算(suan)结果(guo)表明，R途径(jing)比S途径(jing)稳定5.0 kcal/mol，这(zhei)一显著的能量(liang)差异主要归因于(yu)CH⋯HC/π非(fei)共(gong)价弱吸引相(xiang)互作用的贡献。2023年，K. N. Houk和杨丽敏等(deng)通过EDA方法对这一体系进(jin)行了定量(liang)研究，为CH⋯HC色散相互(hu)作用提供了定量化证据。研究显(xian)示，在R途径的过(guo)渡态TS(R)中，CH⋯HC色散相(xiang)互作用（E_disp）的(de)贡献达到-47.74 kcal/mol，而(er)S途(tu)径(jing)的过渡(du)态TS(S)中仅为(wei)-25.89 kcal/mol（图7）。这一显著的差异不仅解释了(le)R途径的优势，还充(chong)分证(zheng)明了(le)CH⋯HC相(xiang)互作(zuo)用在提高反应活(huo)性(xing)和控制对(dui)映选择性(xing)方面的双重促进作(zuo)用（图(tu)8）。

本章继(ji)续深入阐述了(le)基(ji)于(yu)CH⋯HC色(se)散(san)相(xiang)互作用协同(tong)促(cu)进策略，该(gai)团队开发(fa)的镍(nie)（Ni）、钴（Co）、铜(tong)（Cu）等丰产金(jin)属(shu)催(cui)(cui)化高(gao)效不(bu)对称氢化体(ti)系的研究进展。这些研究不(bu)仅展示(shi)了弱(ruo)非共价相互作用在丰产金(jin)属(shu)催(cui)(cui)化中的独(du)特优势，也为开(kai)发(fa)环(huan)境友好、经(jing)济高(gao)效的不(bu)对称氢化方法提供了重要指导。

图7 CH⋯HC色(se)散作用(yong)促进(jin)镍催化N-磺酰亚胺的不(bu)对称(cheng)氢化反应(ying)

尽管弱非共价相互作用(yong)在不对称氢化(hua)(hua)领域已取得显(xian)著(zhu)进展，但(dan)仍面临诸多挑战。首(shou)先(xian)，对于更广泛的(de)(de)底(di)物范围和(he)反(fan)应(ying)机理(li)的(de)(de)深入理(li)解仍有(you)待加强。其次，如何将计算化(hua)(hua)学工具(ju)（如人工智能）与(yu)实验研究(jiu)相结合，实现(xian)催化(hua)(hua)剂的(de)(de)理(li)性(xing)设(she)计是(shi)未来研究(jiu)的(de)(de)重(zhong)点方向。此外，将这些弱相互作用(yong)策略应(ying)用(yong)于更多类(lei)型的(de)(de)丰产(chan)金属催化(hua)(hua)体系，开发(fa)环境友(you)好、经济高效(xiao)的(de)(de)不对称氢化(hua)(hua)方法具(ju)有(you)重(zhong)要的(de)(de)工业(ye)应(ying)用(yong)价值(zhi)。

总(zong)之，弱非(fei)共价相互(hu)作用为不对称催化氢(qing)化领(ling)域带来了新(xin)的(de)机遇和挑(tiao)战。通过深入研(yan)究和创新(xin)设计，这(zhei)些相互作用有望为医(yi)药(yao)、香料和农用化学品(pin)等高(gao)价值手性分(fen)子(zi)的(de)工业化生产(chan)开辟新(xin)的(de)道路，推(tui)动不对称催化领(ling)域向(xiang)更高(gao)效、更可(ke)持(chi)续(xu)的(de)方向(xiang)发展。