S…O之间的弱相互作用力是一种进化的力量，被自然界广泛用来调节蛋白质构象。一个有意义的设想是如何有效利用这种进化的力量来推动化学反应的运行？这将会为化学物质的创制提供潜在的新方法。但是，大量理论研究的结果表明S…O及Se…O之间的作用力很弱，导致用这种非共价作用力来催化化学反应的设想很难实现。

山东大学王瑶（点击查看介绍）课题组致力于基于σ-hole弱相互作用的卤健、硫键以及磷键的合成与催化研究。在硫键催化研究方面，课题组前期的工作设计并发展了一类具有深σ-hole的高活性硫键催化剂（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 9175-9179），突破了S…O及Se…O之间的作用力很弱这一难题，提出了硫族元素之间弱相互作用催化的思路（chalcogen-chalcogen bonding catalysis）,首次证明S…O及Se…O之间的弱相互作用力能够催化化学反应。更有意义的是，研究结果表明Se…O作用力能够实现传统非共价作用力无法完成的化学转化，揭示了弱相互作用力新的化学性质（图1）。

图1.提出并发展硫族元素之间弱相互作用催化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

传统上，含二价硫或硒的有机物是作为电子供体的。作为一种与传统相反的新催化方法，S…O及Se…O之间的弱相互作用力催化如何代替传统的催化途径并实现传统方法无法完成的反应是其进一步研究的重要目标。基于此，王瑶课题组进一步发展了基于σ-hole弱相互作用的硫键催化，提出了双硫键催化的策略（图2，dual chalcogen-chalcogen bonding catalysis），即通过S…O或Se…O弱相互作用力同时与两个Lewis碱作用，进而产生催化活性促进化学反应。为了验证这一策略的有效性，作者选择了Rauhut−Currier类型的反应为研究对象。传统上，Rauhut−Currier类型反应需要使用强Lewis碱，例如三烷基磷类化合物作为促进剂/催化剂。通过实践双硫键催化的策略，以Se…O之间的弱相互作用力作为驱动力，醇作为促进剂即可实现Rauhut−Currier类型的反应。这一成果近期发表于Journal of the American Chemical Society。

图2.提出并发展双硫键催化策略。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图3. 催化剂晶体结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者通过催化剂晶体结构（图2）以及催化剂和不饱和酮和醇相互作用的核磁实验研究，证实了催化剂和底物烯酮以及促进剂醇之间存在Se…O弱相互作用力。后续的实验研究表明了硫键催化剂需要同时和醇以及底物进行作用才能够产生催化活性。通过对照实验表明，这个双硫键催化策略可以使α-位有取代基的低活性底物以及特殊取代的底物顺利发生反应，然而传统的三烷基磷催化方法无法实现（图3）。此外，双硫键催化的策略甚至能够区分甲基和乙基进而产生中等的区域选择性，传统的三烷基磷催化方法则几乎无法区分甲基和乙基。这些研究结果展示了这个策略的潜力和优势，有望在未来的研究中作为通用的催化模式来实现新的化学转化，这一活化模式也为解决合成中存在的问题提供了潜在的方法。

图4. 双硫键催化Rauhut−Currier类型的反应。

山东大学朱荣秀教授在理论计算、孙頔教授在晶体结构解析方面给予了该研究大力支持。该工作得到了国家自然科学基金以及山东省自然科学杰出青年基金的经费支持。山东大学结构成分测试中心为本工作中新物质的结构表征提供了支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Dual Chalcogen–Chalcogen Bonding Catalysis

Wei Wang, Haofu Zhu, Lei Feng, Qun Yu, Jingcheng Hao, Rongxiu Zhu, Yao Wang*

J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 3117-3124, DOI: 10.1021/jacs.9b12610

导师介绍

王瑶

https://www.x-mol.com/university/faculty/49830