含有基于邻苯二胺的五齿配体的铜配合物可催化TEMPO介导的醇氧化反应

《Frontiers in Chemical Biology》：Copper complexes containing o-phenylenediamine-based pentadentate ligands catalyze TEMPO-mediated alcohol oxidation

催化氧化反应中，基于邻苯二胺的五齿配体库（L1-L4）通过调控吡啶/喹啉配位位点和甲基/苯甲基取代基，显著影响铜(II)配合物的结构、电子性质及催化活性。Bn-TQPHEN配体（L4）因喹啉环弱电子供体特性与苯甲基空间位阻协同作用，形成刚性五配位结构，其Cu(II)/Cu(I)红ox电位更正（?0.09 V vs. ?0.46 V），在CuBr/TEMPO催化体系中使苯甲醇氧化活性提升至97%，较L1提高3.8倍。τ5值分析显示配体取代导致几何构型从四面体向三角双锥过渡，溶液吸收光谱证实结构柔性差异，为人工酶模拟提供新方向。

　　本研究中，科学家们设计并合成了一组基于邻苯二胺（o-phenylenediamine）的五齿配体，这些配体在结构中包含了吡啶（pyridine）和喹啉（quinoline）的结合位点。与传统的乙二胺（ethylenediamine）基配体相比，邻苯二胺骨架具有独特的金属配位特性，例如其较弱的氮原子电子供体能力以及较为刚性的螯合结构。这种特性使得配体在金属配合物的结构稳定性、电子性质和反应活性方面表现出显著差异。研究人员还通过改变非配位的烷基取代基（如甲基或苯基），进一步调节了这些配合物的配位结构。特别是在含氧的醇氧化反应中，以CuBr和TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）为催化剂体系，Bn-TQPHEN（L4）表现出比Me-TPPHEN（L1）更高的反应活性。这一发现表明，通过合理设计配体结构，可以显著提高铜配合物在催化反应中的性能。

铜配合物在生物系统中扮演着重要的角色，广泛存在于铜蛋白和铜金属酶中。这些铜中心通常具有多样的配位几何结构和电子性质，使其能够执行特定的功能，如电子传递、氧分子的结合与活化，以及氧原子转移反应。为了更深入地理解铜离子在生物系统中的行为，科学家们开发了多种人工模型配合物，这些配合物在结构和功能上模仿天然铜蛋白。通过仔细设计配体，这些模型配合物展现了铜离子在生物体系中的一些独特性质，如氧化还原活性和催化效率。然而，目前尚未有报道利用五齿配体实现高效的空气氧化醇反应，这与已知的（bpy）Cu(I)/TEMPO体系相比存在显著差距。因此，本研究提出了利用五齿配体进行空气氧化醇反应的新方向。

在合成过程中，研究人员采用了多种实验方法，包括核 magnetic resonance（NMR）光谱、元素分析、高分辨率质谱（HRMS）以及X射线晶体学分析。这些技术帮助确定了配体的结构以及铜配合物的几何构型。例如，L1（Me-TPPHEN）和L2（Me-TQPHEN）的合成过程涉及将N-甲基或N-苯基-1,2-邻苯二胺与三倍当量的2-氯甲基吡啶或2-氯甲基喹啉在乙腈（acetonitrile）中进行回流反应，最终获得相应的配体。此外，铜配合物的合成同样采用相似的反应条件，但使用了不同溶剂和配体，如乙醇和甲醇。对于L3（Bn-TPPHEN）和L4（Bn-TQPHEN），研究人员通过调整非配位的烷基取代基，获得了具有不同配位能力的配合物。

为了研究这些铜配合物的电子性质，科学家们采用了循环伏安法（cyclic voltammetry, CV）进行分析。结果表明，喹啉配体的铜配合物表现出比吡啶配体更高的氧化还原电位，而苯基取代基则进一步提升了这些电位。这些变化与配体的电子供体能力密切相关，因为喹啉的电子供体能力较弱，导致铜中心的电子缺乏，从而影响其氧化还原行为。同时，实验还发现，当配体的结构较为刚性时，其配合物的氧化还原电位会更加显著，这可能是由于结构刚性限制了配位几何的可变性，进而影响了电子传递过程。

在紫外-可见吸收光谱（UV–vis）研究中，研究人员观察到这些铜配合物在600–1000 nm范围内具有特征的d-d跃迁吸收带。这些吸收带的波长与配合物的配位几何结构密切相关，表明铜中心的电子环境在不同配体的作用下会发生变化。例如，L1-Cu(II)配合物在乙腈中显示出三个明显的吸收峰，分别位于640、770和930 nm附近，这与其可能的四面体或八面体结构有关。相比之下，L3-Cu(II)配合物在800 nm处显示出一个较强的吸收峰，这表明其可能具有三棱柱结构。这些结果与X射线晶体学分析结果一致，进一步验证了配体对铜中心几何结构的调控作用。

在催化活性研究方面，研究人员重点考察了Bn-TQPHEN（L4）和Me-TPPHEN（L1）在空气氧化苯甲醇反应中的表现。结果表明，Bn-TQPHEN（L4）作为配体时，其与CuBr形成的催化剂体系表现出更高的反应活性，能够实现97%的转化率，而Me-TPPHEN（L1）的转化率仅为25%。这一现象与L4的氧化还原电位有关，因为其较高的电位意味着铜配合物在反应中具有更强的氧化能力，从而促进了底物的氧化过程。此外，紫外照射对两种催化剂的反应活性均有提升作用，但效果不同。Bn-TQPHEN（L4）在8小时内的转化率达到了51%，而Me-TPPHEN（L1）则为30%。这表明，L4的结构可能更有利于氧分子的活化和后续的醇脱氢反应。

本研究的发现不仅揭示了配体结构对铜配合物性能的影响，还为未来设计更高效的催化体系提供了理论依据。通过调整配体的电子供体能力和几何结构，可以显著改变铜配合物的氧化还原性质和催化活性。这种策略在模拟生物酶系统方面具有重要意义，因为天然铜金属酶通常依赖于特定的配位环境来实现其功能。此外，本研究中使用的五齿配体在催化反应中展现出良好的稳定性，这有助于在实际应用中保持反应的高效性和选择性。

综上所述，本研究通过合成和表征一系列基于邻苯二胺的五齿配体及其铜配合物，深入探讨了配体结构对铜中心几何构型、电子性质和催化活性的影响。实验结果表明，Bn-TQPHEN（L4）在空气氧化醇反应中表现出优于Me-TPPHEN（L1）的性能，这与L4的电子供体能力较弱和配位结构的刚性有关。这些发现不仅有助于理解铜金属酶的催化机制，还为开发新型铜催化剂提供了重要的参考。未来的研究可以进一步探索这些配体在不同反应条件下的表现，以及其在更广泛的催化反应中的应用潜力。