醛的不对称氰化反应是不对称催化领域受到关注最多的反应之一，在过去的几十年里已报道的能催化该反应的手性催化剂有数十种之多。尽管多数催化剂都能表现出很高的对映选择性，但在催化效率方面，不同的催化剂却差别很大,绝大多数体系的催化剂用量都高于0.01 mol%。2010年中科院上海有机所丁奎岭教授课题组报道了一种共价键桥连的双核Salen-Ti手性催化剂在醛的不对称氰化反应中表现出极高催化活性(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6746–6750),即使在0.0005 mol%的催化剂用量下，其仍能高效、高对映选择性地(95% ee)催化三甲基硅氰对苯甲醛的不对称加成反应，TON高达172, 000。在室温下该催化剂的TOF可达23,520/h,其效率已经超过了氧腈酶(oxynitrilase)。该催化体系为何具有如此高的催化效率，其背后的催化反应机理值得深入探索。
近日，中科院上海有机所/上海交通大学丁奎岭教授和华东理工大学张志鹏教授等报道了基于原位红外技术并运用进程速率法对该共价键桥连的双核Salen-Ti催化的苯甲醛的不对称硅氰化反应进行的动力学研究。发现该反应对催化剂的动力学级数为一级，苯甲醛和三甲基硅氰的动力学级数均接近零级。该结果支持分子内双金属协同催化的机理，很好地解释了该催化剂表现出极高催化活性的原因。 作者还通过底物在反应过程中的13C同位素效应(KIE)研究，进一步佐证了协同反应机制中的速率决定步骤。这一方法的原理非常简单(J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 9357–9358)，通过测定底物中直接参与反应的碳原子所表现出的KIE效应的大小，可以方便地判断涉及该碳原子的反应是否为决速步骤：以自然丰度苯甲醛为原料，通过比较在一定转化率下回收的未反应的苯甲醛羰基碳13C同位素含量相对于反应起始原料苯甲醛的羰基碳13C同位素含量所发生的变化，观察到了该反应中羰基碳具有明显的13C同位素效应。这一实验结果进一步验证了进程速率法的有效性以及协同反应机制中氰基对苯甲醛的分子内加成是决速步骤的结论。作者还根据动力学数据计算出了反应的表观活化能(34.5 kJ/mol)、活化焓(32.0 kJ/mol)和活化熵(-95.7 J/(mol·K))。另外，作者还发现由于催化反应中诱导期的存在，传统的初始速率法并不适用于该反应的动力学研究。 值得一提的是，这是进程速率法(Method of Progress Rates)应用于均相催化反应动力学研究为数不多的例子之一。这一新的动力学研究方法由华东理工大学张志鹏教授和德国马普煤炭所Benjamin List教授等在2020年首次报道(Synlett 2020, 31, 1593–1597)。该方法采用的是动态反应进程中的即时速率，而不像传统的初始速率法仅采用反应起始阶段的反应速率(反应起始阶段如果尚未达到稳态催化循环，则动力学数据无法反映真实的动力学行为)。该方法研究反应的真实状态，也不像传统的假零级法人为地把某个反应物浓度提高到原来真实状态的10倍及以上因而严重偏离实际反应条件。该方法不受均相催化反应中可能存在的诱导期的影响，所得到的数据和曲线形状等还可以揭示反应诱导期的存在和催化剂前体的活化过程等反应的固有特性。进程速率法解决了在使用Blackmond发展的“反应过程动力学分析”(RPKA)和Burés发展的“时间变量归一化分析”(VTNA)两种可视化动力学分析方法时，经常难以得到重合性好的曲线并进而难以准确判断动力学级数的问题，为均相催化反应的动力学研究提供了一种切实有效的方法。 论文信息： Kinetic Insights into Cyanosilylation of Aldehydes Catalyzed by a Covalently Bridged Dinuclear (Salen)titanium Complex Dr. Zhipeng Zhang, Yanfei Liu, Dr. Zheng Wang, Prof. Dr. Kuiling Ding Asian Journal of Organic Chemistry DOI: 10.1002/ajoc.202100795
