《Coordination Chemistry Reviews》：Bimetallic chemistry by design: Approaches to the development of multifunctional ligands
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双金属复合物通过配体设计精确控制金属种类、间距及配位环境，实现协同功能。以[poat]3?配体为例，定向组装FeFe、FeMn、CoFe等异双金属核心，系统研究质子耦合电子转移、氧化还原热力学及磁交换行为，揭示金属取代对氧化能力、PCET活性和自旋行为的影响，为酶催化和功能材料设计提供分子机制 insights。
Kylie S. Uyeda | Phan N. Phu | A.S. Borovik
美国加利福尼亚大学欧文分校化学系，自然科学II楼1102室，欧文，CA 92697
摘要
双金属配合物能够实现单体金属位点无法实现的合作功能，但要以可预测的方式实现这种行为，需要对金属种类、金属间分离以及桥接配体的环境进行精确控制。本文综述了构建双金属结构的合成策略，并强调了这些概念如何指导多功能配体平台的合理设计。我们重点介绍了一种含有膦胺基团 [poat]^3? 的三脚架配体，该配体能够实现异种双金属核的定向组装。这一框架使我们能够研究 FeFe、FeMn 和 CoFe 配合物在多种氧化和质子化状态下的行为，从而系统地探究质子耦合电子转移、氧化还原热力学以及磁交换现象。比较研究揭示了金属替代如何调节氧化能力、PCET 反应性和自旋态行为，为金属酶功能及功能性双金属材料提供了分子层面的见解。
引言
含有两种金属离子的分子系统的发展几十年来一直是配位化学的核心主题。双金属系统的优势在于它们能够利用金属间的协同作用来完成单一金属位点无法实现的各种功能。通过将两个金属中心置于接近的位置，双金属结构可以支持多电子氧化还原反应、协同底物活化以及磁交换耦合。因此，双金属结构广泛应用于无机化学的各个领域，从功能性材料到金属酶的活性位点。
在单一分子框架内实现对两个金属中心的定位、电子通信和功能差异的精确控制仍然是无机化学中的一个主要挑战。配体设计已成为应对这一挑战的强大工具，使化学家能够控制金属间的分离、配位几何结构、电子通信和位点选择性，最终分离出多种类型的同种和异种双金属系统。本文将描述一些用于合成双金属配体的配体设计方法，特别强调我们在设计多功能配体方面的一些贡献，这些配体能够实现分子双金属物种的定向逐步组装。
最早和最具影响力的构建双金属配体的策略之一是使用双核配体，其中最著名的是 Robson 的开创性工作[1]。Robson 提出了预先组织好的配体概念，以将两个金属中心置于接近的位置，目的是实现新的反应类型、金属间的电子通信以及与金属蛋白活性位点中的辅因子的类似性。这些早期设计表明，强制金属中心之间的短距离可以产生前所未有的结构和反应路径，这是配体预先组织的直接结果[2]、[3]、[4]、[5]。Robson 型配体生成包含两个明确定义的金属结合位点的框架，在金属中心之间通常保持 3–5 ? 的固定空间距离，同时提供可调的供体基团阵列来调节配位几何结构和电子结构（图 1A）。20 世纪 60 年代末首次分离出大环双核配体复合物，随后又开发出一系列包含多种过渡金属离子的双核复合物，这为配位化学树立了一个新的范例（图 1B）[1]。值得注意的是，Robson 对预先组织和配体导向功能的概念强调预示了许多后来成为金属有机框架核心的设计原则，这一点从他获得的 2025 年诺贝尔奖中可以看出。从那时起，这类配体被广泛用作探究多电子氧化还原反应、模拟酶活性位点和构建小分子活化催化剂的多功能平台。
另一种成功的构建双金属配体的策略依赖于自组装，其中离散的双核物种作为热力学产物形成。这种方法在模拟生物金属辅因子方面特别有效，尤其是参与双氧结合和活化的二铁和二锰核心。Wieghardt 和 Lippard 的开创性工作表明，在桥接乙酸酯配体的存在下使用三齿配体（如 1,4,7-三氮杂环壬烷 (TACN) 或三吡唑基硼酸盐）时，复合物会自组装成三重桥接的双核核心 (M^III–(μ-O)(μ-1,3-OAc)_2–M^III)（图 3A,B）[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。这些结构与结合双氧的蛋白质血红蛋白的活性位点非常相似。Wieghardt 进一步表明，通过修改 TACN 配体上的取代基可以精细控制组装过程，从而得到具有不同初级配位球的双金属复合物[27]、[28]、[29]。Kitajima 用基于吡唑的体系也展示了类似的立体控制，通过控制吡唑环的立体体积来引导形成不同的双核结构。值得注意的是，在吡唑环的 3- 和 5- 位置引入异丙基取代基后，成功分离出了以 μ-η^2-η^2 方式结合双氧的 Cu/Cu 复合物，后来还阐明了血红蛋白中的双氧结合机制（图 3C）[30]。这些研究共同强调了自组装途径在构建生物学相关双金属结构方面的强大作用。
最近构建双金属配体的策略集中在多功能配体上，其中预先形成的金属配合物作为合成子（或金属配体），用于结合第二个含金属的片段。Thomas 开创了使用 [Zr^IV(NR'PR_2)_3X] 配体的方法，这种配体可以通过膦基团轻松结合另一个金属中心（尤其是 Co 离子），形成 [Zr^IV(NR'PR_2)_3Co_n]（n = ?1, 0, +1）（图 4A）[31]、[32]、[33]。由此产生的复合物具有 C3 对称性，两个金属中心相距 2.5 ?，表明存在金属间的相互作用。这种强制的接近性使得两种金属之间的协同电子效应能够产生丰富且不寻常的反应模式。Lu（图 4B）和 Takaya/Iwasawa（图 4C）也开发了类似的三脚架金属配体平台，通过预先组织供体基团来招募第二个金属离子[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。这些基于金属配体的策略展示了预先形成的金属配合物如何作为模块化合成子用于组装异种双金属复合物，这一设计原则为下一节中描述的定向方法提供了依据。
我们的团队致力于设计模拟金属酶特征的配体支架，以了解局部环境对金属中心功能的影响。我们设计了刚性配体支架，其中包含战略性定位的分子内氢键（H-键）供体和受体，这些供体和受体可以稳定生物学相关的反应中间体并调节反应性[39]、[40]、[41]。关键的配体设计特征包括：支持高价金属中心的三阴离子金属结合口袋、N4 初级配位环境、金属离子周围的 C3 对称性，以及最多三个分子内 H-键的形成可能性（图 5）。例如，一种基于尿素的三脚架 [H_3buea]^3? 可以支持 [Fe^III/IVH_3buea(O)]^2?/? 复合物的形成（图 6A）；然而，乙烯骨架的立体体积以及从尿素上连接的 tBu 基团阻碍了使用该配体框架组装双金属物种[39]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]（表 1）。
我们通过设计 [MST]^3? 配体来规避立体拥挤问题，同时保持与 [H_3buea]^3? 类似的初级配位环境和对称性，并引入了接受 H-键的磺酰胺基团（图 6B 和表 1）。出乎意料的是，引入磺酰胺基团后，两个 S-O 基团与羟基配体一起形成了第二个金属复合物的辅助结合位点，从而实现了双金属复合物的可控制备（方案 1）[45]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]。[MST]^3? 配体允许制备金属离子具有不同初级配位球的双金属复合物；然而，这种设计方法也存在一些局限性。特别是，磺酰胺基团的阴离子 N-供体无法为金属中心提供足够的配体场来支持超过 +3+ 氧化态。此外，我们发现很难将辅助金属中心氧化到 +2+ 氧化态以上，从而无法制备高价双金属复合物，尤其是那些在生物系统中作为中间体的复合物[53]。
部分摘录
膦胺基配体的发展
我们结合了 [H_3buea]^3? 和 [MST]^3? 的优点，同时解决了制备高氧化态双金属复合物时的局限性，通过重新设计了一种基于膦胺基团的新三脚架配体 [poat]^3?（表 1）[54]、[55]、[56]、[57]、[58]。我们之前已经综述了 [H_3buea]^3? 和 [MST]^3? 配体的配位化学[40]、[41]、[47]；本综述将涵盖涉及 [poat]^3? 配体的最新进展。
展望
本综述强调了合理的配体设计如何实现双金属复合物的精确构建，其中可以独立操纵金属种类、金属间分离和桥接配体来控制功能。我们展示了如何在具有不同初级配位球的同种和异种双金属复合物中调节质子和电子转移。[poat]^3? 框架使得能够研究高价、氧桥接的双金属结构。
作者贡献声明
Kylie S. Uyeda：撰写——原始草稿、审稿与编辑；
Phan N. Phu：撰写——原始草稿、审稿与编辑；
A. S. Borovik：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。
资金来源
我们感谢美国国立卫生研究院（GM050781）和 UCI 化学系为 KSU 和 PNP 提供的奖学金。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
这项工作是为了庆祝 T. Don Tilley 的 70 岁生日而进行的。
