配体体积增大而催化加速：化学势而非空间位阻主导Cu(II)-bzimpy配合物的转移氢化反应

《New Journal of Chemistry》：Bulkier ligands, faster catalysts: chemical potential rather than steric bulk governs transfer hydrogenation by Cu(ii)-bzimpy complexesOpen Access

　　

专业摘要翻译： 八个2,6-双(苯并咪唑-2-基)吡啶（bzimpy）的Cu(II)配合物，其翼尖和苯并咪唑骨架取代基被系统地变化，先前已被证明可催化4′-氯苯乙酮的转移氢化反应，其活性随两类修饰而增加，但该趋势的起源仍未得到解释。本文采用B3LYP-D3BJ/def2-TZVP//def2-SVP水平的密度泛函理论（DFT）对八个配体、八个[CuClL]+配合物、底物、八个配合物-底物加合物及四个异丙醇盐配合物进行表征。未成对电子占据金属中心的d(x2?y2)轨道，该轨道不受外围取代的扰动，约38%的自旋密度离域至氯离子和氮供体上，这种共价性也解释了这些配合物所报道的大顺磁1H-NMR位移。取代作用转而调控占据的前线轨道流形：LUMO保持不变，而HOMO逐渐迁移至翼尖基团上。催化转化率与配合物的化学势（μ）呈线性相关（r2 = 0.966），两个配体家族均落在同一条公共直线上，而HOMO–LUMO能隙、底物结合能和铜自旋布居均无法重现活性排序（r2分别为0.48、0.06和0.18）。将氯离子替换为异丙醇盐（催化条件下最可能存在的物种）后，排序被精确保持且相关性增强（r2 = 0.994）。直接的空间描述符——百分埋藏体积（%Vbur）——跨越11个百分点却不追踪活性（r2 = 0.08）。因此，翼尖体积通过电子而非空间方式作用于催化，即通过提高铜中心的给电子能力。

论文解读文章：

一、研究背景与问题

三齿N,N,N供体配体2,6-双(苯并咪唑-2-基)吡啶（bzimpy）通过吡啶基和两个苯并咪唑基氮原子与过渡金属配位，形成两个稠合五元螯合环，赋予所得配合物显著的热力学稳定性。该配体合成简便，且苯并咪唑翼尖和骨架位置的空间与电子性质易于调控，使其成为多个领域的常用配体平台。其配位化学已广泛拓展至第一、第二过渡系金属、主族金属及镧系元素，所得配合物在光物理与发光传感、分子磁学以及均相和电化学催化中均有应用。

在转移氢化（TH）反应中，以2-丙醇为氢供体的Meerwein–Ponndorf–Verley型条件提供了一种比使用LiAlH₄等金属氢化物进行化学计量还原更安全、更可持续的替代方案。Rh(I)和Ir(I)基bzimpy配合物在此转化中表现出高活性，但其成本限制了实际应用，促使研究者寻找贱金属替代品。铜(II)配合物因其地球丰度高、价格低廉且毒性显著低于贵金属而成为催化剂设计的理想平台。

研究人员此前报道了一系列Cu(II)-bzimpy配合物（3a–d和4a–d），其翼尖取代基（H、苄基、2,4,6-三甲基苄基、五甲基苄基）和苯并咪唑骨架取代（H或甲基）被系统变化。由于顺磁配合物导致弛豫时间缩短、谱线严重展宽和信号位移，常规¹H-NMR结构表征通常无法进行；研究人员通过在氘代丙酸添加剂存在下记录谱图克服了这一限制。在4′-氯苯乙酮的TH催化筛选中，该系列显示出明确的活性趋势：催化性能随翼尖基团空间体积增大和苯并咪唑骨架给电子甲基取代的存在而提高，其中4d在82 °C下2小时内实现99%转化率。

然而，该研究未阐明这一趋势的电子与结构基础。取代基既是体积大的又是富电子的，因此仅凭实验排序无法区分空间与电子起源。解决这一歧义需要对同一结构上评估两类描述符，并对替代解释进行检验而非假设。此前尚无计算研究考察Cu(II)-bzimpy体系内顺磁NMR行为或催化趋势的电子基础。

二、研究内容与主要结论

本研究采用UKS-B3LYP-D3BJ/def2-TZVP//def2-SVP水平的DFT计算，旨在：(i)通过前线分子轨道和全局反应性描述符分析评估自由配体及其Cu(II)配合物的相对电子稳定性；(ii)绘制配合物系列的自旋密度分布，阐明先前观察到的顺磁¹H-NMR位移的电子起源；(iii)考察配合物与4′-氯苯乙酮之间的底物结合，建立与实验催化趋势一致的结构-电子性质-活性关系；(iv)直接量化八个配体的空间需求，使空间与电子解释得以相互权衡。

三、关键技术方法

所有计算均使用ORCA 6.0.1软件完成。几何优化采用UKS-B3LYP方法（顺磁Cu(II)物种）和RKS方法（闭壳层抗磁配体及游离底物），基组为def2-SVP，全程包含Grimme D3色散校正（D3BJ），并使用RIJCOSX近似和自动生成的辅助基组（AutoAux）加速双电子积分计算。解析谐波振动频率计算在相同理论水平下进行，确认所有29个优化结构均为势能面上的真实极小值（无虚频）。单点电子能量在def2-TZVP水平下计算，前线轨道能量和全局反应性描述符（能隙ΔE、化学势μ、化学硬度η、亲电指数ω）均由此导出。Mulliken和L?wdin原子自旋布居分析在同一水平进行。底物结合能按ΔE(bind) = E(adduct) ? E(complex) ? E(substrate)计算。为验证相关性不依赖泛函选择，额外使用PBE0-D3BJ和wB97X-D3在相同几何上计算单点能；为检验溶剂效应，使用CPCM和SMD连续溶剂模型（2-丙醇）进行溶液相单点计算。所有Cu(II)配合物优化采用双重态自旋多重度（S = 1/2）和+1总电荷，与母体实验研究中质谱鉴定的[CuClL]⁺碎片一致。振动熵采用Grimme的准刚性转子-谐振子（quasi-RRHO）近似评估。

四、研究结果

3.1 翼尖体积仅在3d中扭曲配位球

在全部八个配合物中，bzimpy配体以预期的经式三齿方式配位，吡啶氮和两个苯并咪唑氮构成CuN₃单元，氯配体占据第四个面内配位位点。Cu–N距离（2.006–2.075 ?）和Cu–Cl距离（2.193–2.204 ?）变化不大，七个配合物的N(py)–Cu–Cl角接近线性（175.8–179.9°），τ₄几何指数在0.166–0.195之间，接近平面四方四配位。但3d在所有指标上均偏离此模式：N(py)–Cu–Cl角收缩至161.7°，τ₄升至0.296，铜原子偏离三个配位氮平均平面0.180 ?，两个Cu–N(苯并咪唑)距离明显不等（2.024和2.075 ?），一侧环间扭转达24.5°。五甲基苄基翼尖对配位球施加了真实可量化的扭曲。值得注意的是，与其组成异构体4c（相同C₄₃H₄₅N₅ClCu组成但甲基分布不同）相比，4c保持基本未扭曲的几何构型；4d的骨架甲基化也缓解了大部分应变（τ₄ = 0.195，最大扭转7.8°）。完全五甲基化翼尖的空间代价因此受苯并咪唑环取代模式的强烈调控。

3.2 取代调控占据轨道流形而非虚轨道

HOMO和LUMO能量呈现两个系统趋势：在每个系列内，HOMO和LUMO均沿a→b→c→d序列稳步上升，HOMO从3a的?9.4625 eV移至3d的?8.6166 eV，从4a的?8.9279 eV移至4d的?8.3018 eV；叠加其上，苯并咪唑骨架甲基化（Y = H→CH₃）使4系列的前线轨道相对3系列提高0.3–0.5 eV。两种结构修饰方向相同且效应可加。HOMO–LUMO能隙因HOMO和LUMO移动幅度相近而仅在3.02–3.50 eV间变化，且在两系列内均非单调。空间分布显示，每个配合物中LUMO均局限于吡啶环和Cu–N键合区，不受外围取代影响；而HOMO强烈依赖取代基——在母体配合物3a和4a中离域于苯并咪唑π体系，在N-取代配合物中HOMO密度逐渐迁移至翼尖芳基，4d中HOMO几乎完全定域于两个五甲基苄基单元。取代因此调控占据流形而几乎不触动虚流形。

3.3 单占据轨道对取代不敏感

自旋密度分布在整个系列中保持不变：每个配合物中未成对电子占据金属中心的d(x²?y²)来源轨道，在CuN₃Cl平面呈现特征四叶形，氯配体和三个配位氮上亦有额外密度。L?wdin布居量化显示，铜上自旋布居仅变化于0.6143–0.6207之间，氯上为0.1266–0.1465，每个配位氮上为0.053–0.088。约38%的总自旋密度位于金属之外，这是Cu–N和Cu–Cl键显著共价性的直接证据，也解释了这些配合物配体质子的大顺磁位移和线展宽。金属自旋布居的近似恒定表明外围取代不扰动金属中心的单占据分子轨道（SOMO）。3d再次例外：其两个苯并咪唑氮携带不等自旋布居（0.0530和0.0746），铜和氯布居均为系列最低，表明扭曲降低了金属-配体轨道重叠。

3.4 底物亲和力不追踪活性

每个配合物与4′-氯苯乙酮的加合物中，酮通过羰基氧在轴向位配位，Cu–O距离2.405–2.513 ?，为符合d⁹中心Jahn–Teller拉长轴向位点的长程弱配位相互作用。结合能落在?18.20至?22.90 kcal mol^?1的窄范围内，跨度仅4.7 kcal mol^?1，与催化转化率无相关性（r² = 0.06）。最活跃和最不活跃的催化剂4d和3a结合底物能量几乎相同。底物配位几乎不触动单占据流形：铜上L?wdin自旋布居结合后仅平均增加0.007，羰基氧上自旋布居不超过2.5 × 10^?4。d(x²?y²)轨道位于CuN₃Cl平面内，与酮配位的轴向位点正交，因此底物结合不涉及SOMO。最长Cu–O距离出现在结合最强的加合物中（r² = 0.41，反相关），表明大体积配合物的结合能主要由翼尖取代基与底物芳环间的色散接触主导而非Cu–O配位键本身。

3.5 溶剂化通过空腔尺寸效应掩盖电子差异

在2-丙醇的CPCM连续溶剂模型中，溶剂化对阳离子配合物稳定作用强烈（45–57 kcal mol^?1）并使其前线轨道提高2.0–3.1 eV；中性配体和底物仅被稳定14–25和4.8 kcal mol^?1。后果严重：八个配合物的化学势从气相0.93 eV窗口坍缩至0.35 eV，与转化率的相关性从r² = 0.966降至0.483，排序被破坏。溶剂化自由能跨度11.5 kcal mol^?1且与活性相反：最小最不活跃的3a获得最多溶剂稳定化。中性配体的溶剂化能与原子数相关（r² = 0.822），从37原子配体1a的?24.2 kcal mol^?1单调降至105原子配体2d的?14.6 kcal mol^?1。空腔尺寸而非电子结构主导计算的溶剂化能，且分子尺寸恰沿催化活性相同方向增加，从而掩盖了气相计算所分辨的电子差异。SMD模型给出相同行为，确认该坍缩并非特定连续介质模型实现的产物。

3.6 排序在催化相关的醇盐物种中存续

在反应条件（KOH/2-丙醇）下，氯配体预计被异丙醇盐取代，所得醇盐配合物[CuL(OiPr)]⁺才是进入催化循环的物种。四个代表性配合物（3a、4a、3d、4d）的醇盐类似物均为无虚频的真实极小值，Cu–O距离均匀（1.862–1.866 ?）。相对氯化物，铜自旋布居下降约0.035（0.5800–0.5857对0.6143–0.6207），供体原子携带更多自旋密度（O上0.190–0.210对Cl上0.127–0.147），与醇盐更强的σ给体特性一致。配位几何在取代后收敛：τ₄范围从氯化物的0.168–0.296收窄至醇盐的0.189–0.212，铜偏离N₃平面的位移从0.000–0.180 ?收窄至0.035–0.073 ?。3d的显著扭曲被大幅缓解（τ₄从0.296降至0.192），因构象灵活的异丙醇盐能以刚性氯配体无法实现的方式容纳五甲基苄基翼尖。最重要的是，电子排序被精确保持：四个醇盐的化学势序列与对应氯化物及实测转化率一致（3a < 4a < 3d < 4d），两组化学势互相关r² = 0.983。与转化率的相关性对催化相关物种更强（r² = 0.994对0.968），且该相关性在溶剂化后仍存续（r² = 0.960），与氯化物观察到的坍缩形成对比。第3.5节的失效因此是氯化物模型的伪影而非描述符的一般性失败。

五、讨论与结论

研究通过直接的空间描述符——百分埋藏体积（%V_bur）——量化了八个配体的空间需求。该描述符跨越11个百分点（49.5–60.9%），却不追踪活性（r² = 0.08）。翼尖体积因此通过电子而非空间方式作用于催化，即通过提高铜中心的给电子能力。催化转化率与配合物化学势（μ）呈强线性相关（r² = 0.966），两个配体家族均落在同一条公共直线上；HOMO–LUMO能隙、底物结合能和铜自旋布居均无法重现活性排序（r² = 0.48、0.06和0.18）。将氯离子替换为异丙醇盐后排序被精确保持且相关性增强（r² = 0.994）。该相关性在三种不同构造的泛函（B3LYP、PBE0、wB97X-D3）下均被重现，确认其不依赖泛函选择。研究结论为：配体设计中的"大体积"效应在此体系中实为电子效应——翼尖取代基通过提高铜中心的化学势（即给电子能力）来加速转移氢化反应，而非通过空间位阻效应。这一发现为理解配体取代基在过渡金属催化中的双重角色提供了定量依据，也展示了DFT描述符在区分空间与电子效应方面的分辨能力。