从氧到碲：硫族元素对异硫脲催化剂亲核性和碱性的影响

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：From Oxygen to Tellurium: The Impact of the Chalcogen on Nucleophilicities and Basicities of Isochalcogenourea Catalysts

异噁狄嗪尿素（IChU）催化剂中硫族元素（O、S、Se、Te）的引入显著影响其催化活性。研究表明， tellurium-containing IChUs 具有最高的亲核性和路易斯碱性，在酰基转移和所有烯酸活化反应中表现最佳，且通过量子化学和动力学方法揭示了结构-性能关系。

　　在有机化学领域，催化剂的选择与性能优化一直是研究的核心议题之一。近年来，随着对催化反应机制的深入理解，科学家们发现某些特定结构的化合物能够显著提升反应效率和选择性。其中，一类被称为“等同硫脲”（isochalcogenoureas, IChUs）的化合物因其在催化反应中的独特性能，引起了广泛关注。这类化合物在结构上包含一个或多个环状系统，通过嵌入不同的硫族元素（如氧、硫、硒、碲）形成一系列催化体系，展现了作为路易斯碱（Lewis base）和亲核试剂的潜力。研究指出，硫族元素的种类、环的大小以及取代基的变化都会对IChUs的催化效率产生复杂而深远的影响。因此，系统地研究这些关键参数对于理解并设计高效的有机催化剂具有重要意义。

本研究聚焦于IChUs的结构特性及其对催化性能的影响，选取了14种代表性化合物进行分析。这些化合物涵盖了不同的硫族元素以及相应的环结构和取代基模式，旨在全面揭示它们在催化反应中的行为差异。通过结合动力学、热力学和量子化学方法，研究者对这些IChUs的反应活性进行了评估，并特别关注了在反应中起关键作用的路易斯碱性和亲核性。值得注意的是，研究者还合成出两种新的三环异碲脲催化剂（ITeU2-3），以便在天然存在的硫族元素（O、S、Se、Te）中进行更广泛的比较。

研究表明，硫族元素的电负性是影响IChUs催化活性的重要因素。电负性越低的元素，如碲，其对应的异碲脲表现出更强的亲核性和路易斯碱性。这一现象可以通过电荷分布和分子极性的变化来解释。在催化过程中，亲核性较强的IChUs能够更有效地激活亲电试剂，从而加速反应的进行。此外，这些化合物的路易斯碱性也与其结构中的电荷转移和分子间相互作用密切相关。特别是，某些IChUs能够通过非共价的硫族键合（chalcogen bonding）来稳定中间体，从而提高反应的选择性和效率。

在实验方法上，研究者利用已知的亲电试剂（如苯基二甲基甲基碳正离子）对IChUs的亲核性进行了测定。这些试剂在不同的溶剂中表现出不同的亲电性，而IChUs的亲核性则通过与这些试剂的反应速率进行评估。实验发现，随着硫族元素从氧向硫、硒、碲变化，IChUs的反应活性呈上升趋势。这一趋势表明，硫族元素的种类对催化剂性能具有显著影响。同时，研究者还通过量子化学计算，进一步揭示了这些化合物在反应中的电子结构变化及其对催化性能的影响。

为了全面评估IChUs的性能，研究者还对它们的路易斯碱性进行了测定。通过测定其与苯基二甲基甲基碳正离子的结合能力，结合实验数据与理论计算，得出了相应的路易斯碱性参数（LB）。研究发现，随着硫族元素从氧到硫、硒、碲的变化，IChUs的路易斯碱性也随之增强。这与硫族元素的电负性趋势一致，表明电负性较低的元素更有利于形成稳定的路易斯碱-酸配对，从而提高催化活性。

在实际应用方面，研究者将这些IChUs应用于几种典型的催化反应，如醇酰化反应和所有烯酸（allenoate）的激活反应。通过实验对比，发现某些IChUs在这些反应中表现尤为突出。例如，在催化醇酰化反应中，含有硒的IChUs表现出比含硫的ITUs更高的活性，而含碲的ITeUs则进一步提高了催化效率。此外，在所有烯酸的催化反应中，IChUs的亲核性和路易斯碱性也对其性能产生了重要影响。含碲的IChUs不仅表现出更高的亲核性，还在路易斯碱性方面优于其硒类似物，从而能够更有效地激活所有烯酸，促进后续的反应发生。

这些研究结果不仅揭示了硫族元素在IChUs结构中的作用机制，还为未来设计和优化新型有机催化剂提供了理论依据和实验指导。通过系统地比较不同结构和元素的IChUs，研究者发现，调整硫族元素的种类可以显著影响催化剂的性能。这一发现表明，通过选择合适的硫族元素，可以进一步提升催化剂的活性和选择性，使其适用于更广泛的反应体系。

此外，研究还探讨了催化剂骨架中取代基的影响。例如，在某些IChUs中引入电子供体基团（如甲氧基）虽然能够提升其亲核性，但对路易斯碱性的影响相对较小。这表明，骨架的结构和取代基的选择对催化剂性能具有协同效应，但并非唯一决定因素。因此，在设计高效催化剂时，需要综合考虑多种因素，包括硫族元素的选择、骨架结构以及取代基的类型。

在实验过程中，研究者采用了一系列先进的分析技术，如核磁共振（NMR）光谱、光度法（photometric methods）和量子化学计算。这些方法不仅帮助确定了催化剂的反应速率，还提供了对反应中间体结构和性质的深入理解。例如，通过在线NMR分析，研究者能够实时监测催化反应的进程，从而更准确地评估催化剂的性能。此外，量子化学计算为理解催化剂的电子结构变化提供了理论支持，有助于预测其在不同反应条件下的行为。

总的来说，这项研究为IChUs催化剂的设计和应用提供了新的视角。通过系统分析硫族元素对催化剂性能的影响，研究者揭示了亲核性和路易斯碱性在催化反应中的关键作用。这些发现不仅有助于理解IChUs的反应机制，还为未来开发更高效的有机催化剂奠定了基础。随着对这些催化剂研究的深入，科学家们有望进一步拓展其在有机合成中的应用范围，特别是在不对称合成和复杂反应体系中，利用IChUs的可调性能实现更高的反应效率和选择性。