过渡金属催化的C=X键(X=O, N)的不对称氢化已发展成为生成手性分子的有效的催化反应之一。目前，大多数用于加氢的过渡金属催化剂为贵金属催化剂。在考虑到环境问题及成本问题，以地球上资源丰富的廉价过渡金属开发催化剂可以实现替代贵金属催化剂，这是实现绿色催化和原子经济的有效途径。我们课题组近两年在Leitner教授课题组提出Mn-PSiNSiP配合物的基础上提出其可以有效催化二氧化碳加氢和硼氢化反应(Dalton Trans., 2021, 50: 7348-7355；Inorg. Chem., 2022, 61(14): 5616-5625)。近期，北京化工大学计算化学研究所雷鸣教授和蒲敏教授课题组通过理论计算在PSiNSiP的基础上设计了一系列的含Si-N-Si-Si四元环骨架的四齿PNP配体(LYE= PH2CH2Si(CH3)NSi(CH3)(Si(CH3)CH2P(CH3)2)CH2P(Ph)2), LYF=PH2CH2Si(CH3)NSi(CH3)(Si(CH3)CH2P(CH3)2)CH2P(Cy)2))，形成的Mn-LYE和Mn-LYF配合物对不对称酮加氢反应具有较好的催化活性和立体选择性(见图1)，相关成果以全文发表在Phys. Chem. Chem. Phys.上(https://doi.org/10.1039/D2CP00818A)。
图1. 面向酮不对称加氢反应的Mn-PNP催化剂的含Si-N-Si-Si四元环骨架的四齿新型PNP配体的设计
如图2所示，采用DFT方法探究了配合物A1催化苯乙酮氢加氢反应机理，包括氢气活化步骤和氢转移步骤，并对比了内层机理及外层机理。
图2. Mn-PNP配合物催化苯乙酮的氢活化和不对称转移加氢机理示意图。
我们接着对催化剂Mn(CO)2-PSiNSiP (A1)进行了不对称设计，并研究了Mn(CO)2-LYB催化苯乙酮的氢活化和不对称转移加氢的反应机理（图3）。计算结果表明S构型产物为该反应的主要产物，且该反应的ee值达到了100%。
图3. 配合物B1催化苯乙酮加氢反应的吉布斯自由能分布（单位：kcal/mol）。
由于Mn(CO)2-LYB钳形催化剂可能存在对映异构体，从而降低不对称加氢的立体选择性。因此，基于 Mn(CO)2-LYB 催化剂的结构，我们设计了一种具有四元环(Si-N-Si-Si) 核心的四齿配体 LYC和LYD 的新型 Mn 催化剂。对Mn(CO)-LYC和Mn(CO)-LYD催化脂肪酮和芳香酮加氢进行了DFT计算（图4、图5）。计算结果表明，Mn(CO)-LYC和Mn(CO)-LYD催化不对称酮加氢的ee值都不高。
图4. 配合物C1催化苯乙酮和1,1-二甲基丙酮加氢反应的吉布斯自由能分布（单位：kcal/mol）。
图5. 配合物D1催化苯乙酮和1,1-二甲基丙酮加氢反应的吉布斯自由能分布（单位：kcal/mol）。
为了提高催化不对称酮加氢的立体选择性，我们对Mn(CO)-LYC和Mn(CO)-LYD进行改性。将LYC和LYD配体的一个磷臂上的-PMe2变为-PH2，以减少底物酮与催化剂之间的空间相互作用。通过计算发现，Mn(CO)-LYE和Mn(CO)-LYF催化的不对称酮加氢的对映选择性提高到100%左右（图6）。
图6. 配合物E1和F1催化苯乙酮和1,1-二甲基丙酮加氢反应的吉布斯自由能分布（单位：kcal/mol）。
对催化剂Mn(CO)-LYE(E)和Mn(CO)-LYF(F)进行了非共价相互作用(NCI)和能量分解(EDA)分析，通过分析发现，由Mn(CO)-LYE和Mn(CO)-LYF催化具有良好对映选择性的原因是酮底物与催化剂碎片之间具有较低的变形能和更强的相互作用(图7)。
图7. 使用NCI分析和EDA分析对过渡态(A) TSE4-5R & TSE4-5S, (B) TSE4-5Ra & TSE4-5Sa, (C) TSF4-5R & TSF4-5S, (D) TSF4-5Ra & TSF4-5Sa进行分析。
综上所述，该文采用DFT方法研究了系列设计的 Mn 催化剂催化的不对称酮加氢的反应机理和对映选择性。计算结果表明，Mn(CO)2-PSiNSiP钳形配合物(A1)具有良好的催化活性。进而设计了在不对称酮加氢中具有良好对映选择性的Mn(CO)2-LYB (B)催化剂。但Mn(CO)2-LYB催化剂的对映异构体可能会降低其在不对称加氢中的立体选择性。因此，基于 Mn(CO)2-LYB 催化剂的结构，设计了新型的Mn(CO)-LYC (C) 和 Mn(CO)-LYD (D) 催化剂，具有四元环的四齿配体(Si-N-Si -Si) 核心。并为了提高其立体选择性，设计了新型Mn配合物Mn(CO)-LYE(E)和Mn(CO)-LYF(F)。同时，通过NCI和EDA分析揭示了由Mn(CO)-LYE和Mn(CO)-LYF催化的不对称酮加氢具有良好对映选择性的原因是酮底物与催化剂碎片之间具有较低的变形能和更强的相互作用。这项工作为设计和筛选新的框架过渡金属催化剂提供理论策略。该文的第一作者为计算化学所2019级硕士研究生赵娅琦同学。此工作获得了国家自然科学基金面上基金项目的支持。