通过单分子光谱直接观测交叉偶联催化剂中间体

《Journal of the American Chemical Society》：Direct Observation of a Cross-Coupling Catalyst Intermediate via Single-Molecule Spectroscopy

　　

单分子测量在分子催化剂研究方面具有独特优势，能够观察不同步的化学动力学以及传统体相技术无法观测的瞬态中间体。然而，单分子荧光光谱通常在纳摩尔浓度下进行，远低于典型合成条件。在此，研究人员使用纳米光子零模式波导（ZMWs）在合成相关（微摩尔）反应浓度下实现对单个催化剂动力学的观察。研究人员部署ZMWs，通过荧光标记配体报告配体结合与解离，直接观察了Pd-PEPPSI（吡啶增强预催化剂制备、稳定化与引发）中一个先前假设的中间体，该催化剂是著名的分子C–C交叉偶联催化剂。单催化剂配体动力学的动力学分析揭示了交叉偶联反应物的存在如何影响潜在机制。这种在合成相关浓度下对分子催化剂进行单分子研究的范式，对于研究各种配体和反应物动力学具有普适性。

交叉偶联反应在有机合成中应用广泛，理解其催化机理对催化剂设计和反应优化至关重要。Pd-PEPPSI（吡啶增强预催化剂制备、稳定化与引发）是一种常用的分子C–C交叉偶联催化剂，可在高收率和宽底物范围内催化Negishi、Suzuki–Miyaura、Kumada–Tamao–Corriu和Stille偶联。该催化剂的活化涉及氯吡啶“抛掷”配体的解离。先前研究表明，不同抛掷配体会显著影响产率和动力学，且PEPPSI催化剂比原位生成的Pd-NHC催化剂具有更高的周转数，提示抛掷配体在催化循环中可能反复再结合，稳定催化剂并减缓分解。然而，缺乏直接实验证据。NMR等体相技术无法检测低浓度、瞬态的再结合中间体。单分子技术因无需同步化学反应，能揭示短寿命中间体，但常规单分子荧光通常在纳摩尔浓度下进行，远低于合成相关（微摩尔）浓度。因此，需要能在高浓度下工作的单分子方法。纳米光子零模式波导（ZMWs）可实现微摩尔浓度下的单分子观测，为研究催化瞬态中间体提供了新途径。

该研究发表在《Journal of the American Chemical Society》。研究人员设计并合成了一种双色标记的单分子体系：催化剂1带有绿色BODIPY荧光标记的吡啶配体和用于表面锚定的硅烷连接臂，游离的吡啶配体2带有红色BODIPY标记。将催化剂锚定在60 nm直径的ZMW孔内，开发了有效的表面钝化方案，防止非特异性吸附。在无偶联试剂和有Suzuki偶联试剂（溴苯和苯硼酸）两种条件下，用绿色激发定位单个催化剂，用红色激发监测配体再结合产生的荧光尖峰。实验观察到清晰的再结合事件，直接证实了先前假设的“抛掷”配体再结合中间体。

关键技术方法包括：
1. 零模式波导阵列：采用电子束光刻制备60 nm孔直径铝壁ZMW，实现微摩尔浓度下的单分子检测。
2. 双色荧光标记策略：绿色BODIPY标记催化剂用于定位，红色BODIPY标记配体用于检测结合事件，避免溶剂拉曼散射背景。
3. 表面钝化：使用三乙氧基辛基硅烷（TEOS）钝化ZMW表面，消除有机溶剂中分子的非特异性吸附。
4. 单分子荧光显微成像：使用532 nm和635 nm激光分别激发，记录时间分辨荧光轨迹。
5. 动力学建模：采用AutoDISC算法理想化轨迹，提取驻留时间；用隐马尔可夫模型（HMM）和QuB软件评估多态模型，用贝叶斯信息准则（BIC）选择最佳模型。

研究结果：

催化剂设计与零模式波导（Catalyst Design and ZMWs）
研究人员合成了表面锚定且带绿色荧光标记的催化剂1和红色荧光标记的游离配体2，并通过电子束光刻制备了60 nm直径的ZMW阵列。由于标准生物钝化方案不适用于有机溶剂，新开发的TEOS钝化方案有效阻止了配体2在浓度高达6.5 μM时的非特异性吸附。

单分子荧光显微镜与再结合观察（Single-Molecule Fluorescence Microscopy and Observation of Rebinding）
在定位步骤中，绿色通道识别出单个催化剂；加入引发剂和红色配体后，红色通道中出现的荧光尖峰代表配体再结合事件。在检测到催化剂的孔中，无偶联试剂时15%的孔、有偶联试剂时27%的孔显示再结合信号；未检测到催化剂的孔中仅0.17%和0.64%出现信号，表明背景极低，直接观察到了再结合中间体。大部分催化剂（73–85%）未显示再结合，可能与表面微环境异质性有关。

动力学分析（Kinetic Analysis）
对高信噪比轨迹（无偶联n=13，有偶联n=11）进行AutoDISC理想化后提取驻留时间。结合态（t_on）和未结合态（t_off）的直方图均不能由单指数拟合描述，表明存在至少两个结合态和两个未结合态。隐马尔可夫模型分析发现，最佳模型是四态模型，包含两个暗态和两个亮态。添加偶联试剂后，模型未变，但未结合态间平衡常数从K_eq = 14（无偶联）变为2.9（有偶联），使得具有更快配体结合速率的“左臂”更易被访问，从而缩短了未结合态驻留时间，增加了再结合事件密度。

动力学方案的机理解释（Mechanistic Interpretation of the Kinetic Scheme）
在排除了染料闪烁和静态异质性后，研究人员提出将每个结合/未结合对对应为Pd(0)或Pd(II)物种。Pd(II)与相对较硬的吡啶配体结合更强，因此左臂（快结合）对应Pd(II)。DFT计算支持3-氯吡啶从Pd(II)解离能比Pd(0)高5 kcal·mol^–1。测量到Pd(0)物种寿命约100 s，与脱气THF中缓慢氧化一致；Pd(II)物种寿命约7 s，也与先前测得的引发时间一致。添加偶联试剂后，催化循环为Pd(0)/Pd(II)转化提供额外途径，导致Pd(II)寿命增加。未结合态间平衡常数表明Pd(0)是催化剂静息态，符合Suzuki偶联常见情况。尽管无法精确确定化学结构，该机理与数据一致。

总结讨论：讨论部分进一步分析了可能的替代机理（表面动力学），但认为不太可能。研究还提出，通过改变配体或底物浓度，可以更具体地验证模型中的浓度依赖性步骤，并将该方法与荧光发生读出结合，以获得催化周转的直接信息。这种单分子方法提供了体相技术无法提供的动力学新视角。

研究结论：使用零模式波导的单分子显微镜允许直接观察吡啶“抛掷”配体与Pd-PEPPSI的解离和再结合，形成先前仅假设的中间体。该中间体通过双色标记方案中荧光强度的变化，在合成相关的μM荧光物种浓度下被检测到。提取的结合态和未结合态驻留时间明显非单指数，表明机制比简单的结合/解离更复杂，涉及至少两个结合态和至少两个未结合态。隐马尔可夫模型分析表明，在偶联试剂存在下，未结合物种间的平衡向更快配体结合的物种移动，导致观察到的再结合事件密度高于无偶联试剂实验。Pd(0)和Pd(II)被确定为与动力学一致的候选状态。该研究展示了ZMW在非生物分子催化剂研究中的强大能力，为在合成相关浓度下使用单分子显微镜观察瞬态物种和提供机理洞察提供了蓝图。