配體是如何加速催化反應的？

1.前言：

距離發現鈦催化的不對稱烯丙醇環氧化反應（AE）已經超過十年了。為了理解這一反應的反應過程以及進一步拓展這一反應的應用范圍，我們對這一反應的機理進行了研究。其中一些研究成果已經被應用在化學合成之中。鈦催化的不對稱烯丙醇環氧化反應（AE）的發現證明了非生物催化劑可以克服酶對底物的高度選擇性問題（鎖鑰現象)的同時取得類似于酶的反應催化活性。與此同時，四氧化鋨催化的烯烴不對稱雙羥化反應（AD）也引起了我們的注意。乍一眼看去，四氧化鋨催化的烯烴不對稱雙羥化反應（AD）與鈦催化的不對稱烯丙醇環氧化反應（AE）似乎除了都是在前手性的烯烴上以對映選擇性的方式引入雜原子之外沒有任何的共同之處。然而，有一個特別的現象使得這兩反應不可逆的聯系到了一起。這一現象就是他們都是配體加速的催化反應（LAC）。與此同時，這兩反應的成功很大一部原因都要歸功于這一現象的存在。

這篇文章的目的是通過這些反應實例以及其他的一些重要的例子來展示配體加速效應是如何在一個催化反應中實現快速以及高對映選擇性的獲得相應產物的。對于配體加速的催化反應（LAC）的簡單描述將在第二節中給出。

2.基本概念：

在配體加速的催化反應（LAC）中，特定配體的加入可以加快已有的催化反應的反應速率。在這反應過程中，配體加速的催化反應（LAC）過程以及基礎的催化轉化過程是同時存在的，并且這兩種催化反應過程呈現出相互競爭的狀態。這一反應過程可以用下圖來表示

對于催化反應而言，結合在金屬中心或者復合物的配體的性質總是能影響由這一物種催化的有機轉化過程的速率以及選擇性的。當配體與具有催化活性的金屬或復合物結合后，這一物種參與的催化反應的反應速率與沒加入配體之前的催化反應的反應速率相比可以是降低的，可以是相同的，也可以是加快的。其中配體加速的催化過程可以極大的提高反應的效率。

對于配體加速效應的簡單的定義可以由以下等式給出。當加入配體后，與配體結合后的物種催化的反應的反應速率vML與未與配體結合的金屬或復合物催化的反應的反應速率vM相比，該比值應該大于1。對于配體減速效應也可以有相似的方式給出定義，即當與配體絡合后的物種催化的反應的反應速率vML與未與配體結合的金屬或復合物催化的反應的反應速率vM相比

配體與金屬或者復合物的結合往往伴隨這快速的配體交換過程。因此，催化活性物種催化的反應的微觀速率常數（k0和k1）以及催化劑與配體的平衡絡合常數（Keq）都會對反應整體表現出來的宏觀配體加速效應（LAE）產生影響。

當加入的配體能影響反應終產物的立體選擇性時，配體加速效應（LAE）為我們提供了吸引人的可能性。因為如果一個催化反應的速率的提升是由與手性配體結合生成的手性物種導致的，那么經由這一手性物種催化產生的單一對映選擇性的產物的量將會遠遠超過經由未與配體結合的催化劑物種催化產生的消旋的產物的量，從而實現對反應產物對映選擇性的控制。盡管在反應體系中存在著多種催化活性物種，這其中有單一對映選擇性的催化劑以及沒有對映選擇性的催化劑，也不會影響我們對終產物的對映選擇控制。即使在配體加速效應（LAE）影響較小的情況下，我們依然可以對反應的對映選擇性進行很好的控制。通常來說，加入手性配體后，利用Equation 2求得的數值大于等于20，我們就認為這一不對稱催化反應具有潛在的應用價值。因為對于符合此要求的催化反應而言，由配體驅動的催化過程所產生的產物應該占總產物的95%以上。因此在理想情況下，該不對稱催化反應終所得的產物的ee值將大于等于95%。

然而對于目前大多數不對稱催化反應而言，并沒有觀察到明顯的配體加速現象，即vML/vM≤1。對于這些不對稱催化反應而言，為了建立有效的手性環境，往往需要在反應中加入大量配體。而這些配體的加入會在催化劑活性中心周圍產生額外的空間位阻效應，從而導致催化速率的下降。