基于机器学习力场的溶液相金(I)硫簇配合物配体交换接力转化机制研究

《Chemical Science》：Dynamic metal–ligand coordination in solution: a ligand-exchange relay mechanism for gold(i) sulfido complex transformationOpen Access

　　

理解多核金属配合物中动态金属-配体相互作用对于调控其结构和反应性至关重要，但由于关键中间体寿命短且常缺乏光谱信号，其潜在机制仍难以捉摸。本研究将达到从头算精度的机器学习原子间势（MLPs）与分子动力学（MD）模拟中的即时概率增强采样（OPES）相结合，以解析此类溶液相转化。研究人员以膦配体保护的金(I)硫簇配合物[Au10S4(L)4]2+ ? 2 [Au5S2(L)2]+（L = LPh或LTh）的相互转化为原型体系，揭示了一种由(μ4-S)–Au–(μ3-S)基序介导的配体交换接力机制。Au–P键断裂触发连续的膦交换步骤，将亲电特性接力传递至赤道金原子，在此过程中，动态的η2-芳烃–Au相互作用稳定了亲电中心。自由能分析表明，十核配合物在热力学上比相应的五核产物更有利，并且LPh配体体系的最高能垒（约130 kJ mol?1）低于LTh配体体系（约167 kJ mol?1），这与实验观察一致。这种配体依赖性源于P–P咬合距离，它控制着关键的Au–S接触，从而决定了接力中间体的稳定性。这些发现揭示了配体交换接力是一种独特的动态配位模式，并证明了MLP驱动的增强采样模拟能够以原子分辨率和自由能分辨率解析多核配合物的相互转化。

研究背景与科学问题

在多核金属配合物中，动态金属-配体相互作用对超分子组装、催化和药物设计具有重要意义，是实现结构响应性重组的关键。然而，由于关键中间体寿命极短且通常缺乏光谱信号，实验手段如高分辨电喷雾电离质谱（HR-ESI-MS）和核磁共振波谱（NMR）难以捕捉其微观机制。这一问题在以膦配体保护的多核金(I)硫簇配合物中尤为突出——不稳定的Au–P和Au–S配位结合亲金相互作用产生大量结构动态，使得关键中间体难以捕获。以[Au₁₀S₄(LPh)₄]²⁺与2 [Au₅S₂(LPh)₂]⁺的可逆转化为代表，该转化对溶剂极性和温度敏感，且高度依赖双齿膦配体的P–P咬合距离：将菲基配体LPh替换为二苯并噻吩基配体LTh后，P–P咬合距离从7.7 ?增至8.1 ?，使转化温度从298 K升至343 K以上。尽管已有实验观测，这一簇间转化的原子级机制及其显著的配体依赖性起源尚属未知。

研究方法与技术路线

研究人员开发了达到从头算精度的机器学习原子间势（MLP），采用注意力增强深度势能（DPA-1）架构，并结合即时概率增强采样（OPES）技术，在显式乙腈溶剂中对[Au₁₀S₄(LPh)₄]²⁺和[Au₁₀S₄(LTh)₄]²⁺向各自五核产物的转化进行了分子动力学（MD）模拟。训练集通过主动学习与OPES增强采样的迭代流程构建，包含18615个构型，标记水平为PBE-D3(BJ)/DZVP-MOLOPT-SR-GTH密度泛函理论（DFT）。测试集包含沿两条反应路径采样的5820个构型。MLP再现DFT参考数据的能量均方根误差（MAE）分别为0.45和0.48 meV每原子，力MAE分别为28.1和24.3 meV ?^?1。平衡几何验证显示MLP预测与实验晶体结构吻合良好。MLP-MD相比PBE基从头算分子动力学（AIMD）实现了约165–291倍的加速。

研究结果

2.2 (μ₄-S)–Au–(μ₃-S)介导的配体交换接力机制

通过MLP-OPES MD模拟，研究人员揭示了该转化经由(μ₄-S)–Au–(μ₃-S)介导的配体交换接力机制，包含三个关键阶段：

2.2.1 Au–P键断裂与亲电金中心形成。 赤道Au1–P1键断裂生成不饱和Au1中心，该中心迅速与邻近的S4配位形成(μ₄-S4)–Au1–(μ₃-S1)基序。解离的P1随后与轴向Au8配位得到中间体M-1。此阶段自由能垒约105 kJ mol^?1。Bader电荷分析表明Au1持续保持约0.1 |e|的亲电性亏损。

2.2.2 连续膦交换与赤道金循环置换。 亲电中心沿四个对称等效的赤道金原子顺序传递（Au1→Au2→Au3→Au4），伴随逆时针循环置换。第一步Au1→Au2经历Au–S重排（M-1→M-2，能垒约31 kJ mol^?1）和芳烃辅助配体交换（M-2→M-3→M-4）：M-2中Au1–S2键解离后，LPh配体菲环上的C1/C2以η²配位模式稳定不饱和Au1，随后Au1与P2成键同时Au2–P2断裂、Au2–S1成键完成配体交换，能垒约12 kJ mol^?1。Bader电荷分析证实亲电性从Au1转移至Au2。后续Au2→Au3和Au3→Au4重复相同接力模式。

2.2.3 配体重新捕获与配合物解离。 亲电中心到达Au4后，M-10经瞬时中间体MS-2发生Au8–P1键断裂、P1与Au4配位诱导Au4–S1键断裂，最终生成两个[Au₅S₂(LPh)₂]⁺。此步能垒约22 kJ mol^?1，放能约?77 kJ mol^?1。整体转化热力学不利（ΔG≈+31 kJ mol^?1），正向速率决定步骤为最终步（能垒约130 kJ mol^?1），逆向能垒约99 kJ mol^?1。乙腈主要作为溶剂介质，不直接参与配体交换接力，但可沿侧路径可逆配位于不饱和Au(I)中心。

2.3 P–P咬合距离控制接力中间体稳定性与反应性。 LTh配体体系遵循相同的接力序列，但最大能垒升至约167 kJ mol^?1。结构比较表明，较长的P–P咬合距离（8.1 ?）导致M-1-LTh中Au–S骨架更松散（Au9–Au10间距5.1 ? vs. 3.7 ?），并在后期接力中间体M-7-LTh中造成Au3–S2相互作用丧失（距离3.7 ? vs. 2.5 ?），使其相对自由能升至约157 kJ mol^?1，远高于LPh体系的M-7（约66 kJ mol^?1）。这解释了LTh体系需要更高温度才能实现转化的实验现象。

总结与结论

本研究通过MLP-MD模拟揭示了金(I)硫簇配合物簇间转化的(μ₄-S)–Au–(μ₃-S)介导配体交换接力机制。该转化由赤道Au–P键断裂触发，生成的亲电金中心经(μ₄-S)–Au–(μ₃-S)基序稳定，并通过连续膦交换沿四个赤道金原子顺序传递，伴随双齿膦配体从单元间向单元内配位模式的转换，最终导致配合物解离。动态η²-芳烃–Au相互作用瞬时稳定传递中的亲电金中心，揭示了配体芳环在Au–P配位之外的功能角色。自由能计算表明十核反应物在热力学上优于五核产物，且LPh体系速率决定步能垒（~130 kJ mol^?1）低于LTh体系（~167 kJ mol^?1），与实验一致。配体依赖性反应性源于P–P咬合距离对接力中间体稳定性的调控：LTh的较长咬合距离削弱了高能接力中间体中的关键Au–S接触，从而提高活化自由能。本研究为金(I)硫簇配合物的接力驱动结构转化提供了原子级图像，并建立了基于MLP-MD策略解析动态金属-配位体系中复杂反应路径和自由能景观的方法框架。