配体是如何加速催化反应的？

配体是如何加速催化反应的？

1.前言：

距离发现钛催化的不对称烯丙醇环氧化反应（AE）已经超过十年了。为了理解这一反应的反应过程以及进一步拓展这一反应的应用范围，我们对这一反应的机理进行了研究。其中一些研究成果已经被应用在化学合成之中。钛催化的不对称烯丙醇环氧化反应（AE）的发现证明了非生物催化剂可以克服酶对底物的高度选择性问题（锁钥现象)的同时取得类似于酶的反应催化活性。与此同时，四氧化锇催化的烯烃不对称双羟化反应（AD）也引起了我们的注意。乍一眼看去，四氧化锇催化的烯烃不对称双羟化反应（AD）与钛催化的不对称烯丙醇环氧化反应（AE）似乎除了都是在前手性的烯烃上以对映选择性的方式引入杂原子之外没有任何的共同之处。然而，有一个特别的现象使得这两反应不可逆的联系到了一起。这一现象就是他们都是配体加速的催化反应（LAC）。与此同时，这两反应的成功很大一部原因都要归功于这一现象的存在。

这篇文章的目的是通过这些反应实例以及其他的一些重要的例子来展示配体加速效应是如何在一个催化反应中实现快速以及高对映选择性的获得相应产物的。对于配体加速的催化反应（LAC）的简单描述将在第二节中给出。

2.基本概念：

在配体加速的催化反应（LAC）中，特定配体的加入可以加快已有的催化反应的反应速率。在这反应过程中，配体加速的催化反应（LAC）过程以及基础的催化转化过程是同时存在的，并且这两种催化反应过程呈现出相互竞争的状态。这一反应过程可以用下图来表示

对于催化反应而言，结合在金属中心或者复合物的配体的性质总是能影响由这一物种催化的有机转化过程的速率以及选择性的。当配体与具有催化活性的金属或复合物结合后，这一物种参与的催化反应的反应速率与没加入配体之前的催化反应的反应速率相比可以是降低的，可以是相同的，也可以是加快的。其中配体加速的催化过程可以极大的提高反应的效率。

对于配体加速效应的简单的定义可以由以下等式给出。当加入配体后，与配体结合后的物种催化的反应的反应速率vML与未与配体结合的金属或复合物催化的反应的反应速率vM相比，该比值应该大于1。对于配体减速效应也可以有相似的方式给出定义，即当与配体络合后的物种催化的反应的反应速率vML与未与配体结合的金属或复合物催化的反应的反应速率vM相比

配体与金属或者复合物的结合往往伴随这快速的配体交换过程。因此，催化活性物种催化的反应的微观速率常数（k0和k1）以及催化剂与配体的平衡络合常数（Keq）都会对反应整体表现出来的宏观配体加速效应（LAE）产生影响。

当加入的配体能影响反应终产物的立体选择性时，配体加速效应（LAE）为我们提供了吸引人的可能性。因为如果一个催化反应的速率的提升是由与手性配体结合生成的手性物种导致的，那么经由这一手性物种催化产生的单一对映选择性的产物的量将会远远超过经由未与配体结合的催化剂物种催化产生的消旋的产物的量，从而实现对反应产物对映选择性的控制。尽管在反应体系中存在着多种催化活性物种，这其中有单一对映选择性的催化剂以及没有对映选择性的催化剂，也不会影响我们对终产物的对映选择控制。即使在配体加速效应（LAE）影响较小的情况下，我们依然可以对反应的对映选择性进行很好的控制。通常来说，加入手性配体后，利用Equation 2求得的数值大于等于20，我们就认为这一不对称催化反应具有潜在的应用价值。因为对于符合此要求的催化反应而言，由配体驱动的催化过程所产生的产物应该占总产物的95%以上。因此在理想情况下，该不对称催化反应终所得的产物的ee值将大于等于95%。

然而对于目前大多数不对称催化反应而言，并没有观察到明显的配体加速现象，即vML/vM≤1。对于这些不对称催化反应而言，为了建立有效的手性环境，往往需要在反应中加入大量配体。而这些配体的加入会在催化剂活性中心周围产生额外的空间位阻效应，从而导致催化速率的下降。