河北师范大学曾艳丽教授课题组基于密度泛函理论，以氨基查尔酮分子内Aza-Michael反应为基准反应，对一系列高价硫键催化剂的性质以及催化性能进行了深入研究，从硫键键鞍点处的电子密度、硫键催化剂静电势以及NPA电荷等指标对反应活性的影响进行了评估，寻找可作为预测硫键催化反应活性的关键指标。该工作可为实验研究中硫键催化剂设计提供理论依据。
图1 ChB催化分子内Aza-Michael反应中催化性能与相关指标关系示意图
非共价键催化因具有类似过渡金属的催化活性、环境友好且成本低廉等优点，引起科研工作者的广泛关注。硫键(ChB)催化作为非共价键催化领域的一种新型模式，已成为有机催化领域的研究热点。本工作选取了九种不同骨架硫键供体催化剂用于催化氨基查尔酮分子内Aza-Michael反应，如图2所示。
图2 九种硫键供体催化剂分子结构图
通过对硫键催化氨基查尔酮分子内Aza-Michael反应的微观机制以及催化性能分析表明，反应机制分为C-N 键偶联和质子转移两步，且单齿状五氟苯基硫键供体ChB1的催化性能与双齿状硫键供体ChB4相当，强于其余单齿状硫键供体ChB2和ChB3 (图3)。此外，通过有无催化剂存在下的对比发现，催化剂“σ-hole”与羰基氧原子形成的硫键，使得反应物上的电荷发生重排，C(1)原子电荷变得越正，从而 C-N键形成过程中的能垒越低，促进了亲核反应的进行。
图3 (a)ChB1和ChB2催化C-N键偶联步的能垒图；(b)ChB3和ChB4催化C-N键偶联步的能垒图
为了预测硫键催化剂的催化活性，对预复合物中硫键键鞍点处的电子密度、催化剂的静电势以及原子NPA电荷三个指标与C-N键偶联步的反应能垒进行了线性分析，结果表明预复合物键鞍点处的电子密度与反应能垒的相关性最好，其次是催化剂静电势极大值，最后是原子NPA电荷。
图4 C-N键偶联步的能垒与预复合物的电子密度ρb (a),催化剂VS,max (b), C(1)原子NPA电荷(c)的线性关系图
论文信息
Hypervalent Chalcogen Bonds Catalysis on the Intramolecular Aza-Michael Reaction of Aminochalcone: Catalytic Performance and Chalcogen Bond Properties
Zhuo Wang, Bo Shi, Chang Zhao, Yanli Zeng
Chemistry – A European Journal
DOI: 10.1002/chem.202401886
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