用于新反应发现和优化的尖端钌催化剂

诸平

a, Selection of ruthenium(II) precatalysts typically used for application, discovery and synthetic method development within C–H functionalization chemistry. Broadly available air-stable precatalysts such as 1 and 2 exhibit poor levels of reactivity under mild reaction conditions and have high barriers that must be overcome to form active catalysts. Preactivated complexes such as 4 and 5 are highly reactive and operate under mild conditions but are extremely air sensitive. The air-stable complex [(^tBuCN)₅Ru(H₂O)](BF₄)₂ (3) provides an alternative that has broad reactivity without the need for harsh reaction conditions. b, Left: synthesis of complex 3 by zinc reduction of ruthenium(III) trichloride and chloride-to-tetrafluoroborate metathesis. Right: X-ray crystal structure of 3 with 50% probability thermal ellipsoids; BF₄ counterions are omitted for clarity. Color coding: lilac, Ru; red, O; blue, N; grey, C. Ligand exchange rate constants for [Ru(H₂O)₆]²⁺ and [Ru(NCMe)₆]²⁺ are given in ref. ¹⁵. c, Air-stability test of solid complex 3, 4 and 5 over 72 h. d, NMR study of stoichiometric arene C(sp²)–H bond activation under mild reaction conditions using 3 to give biscyclometallated species 7—a key species required for reactivity with halide nucleophiles. Yield was determined by ¹⁹F NMR using 1,4-difluorobenzene as an internal standard. r.t., room temperature.

Scientists unveil cutting-edge ruthenium catalyst for new reaction discovery and optimization design and synthesis of an air- and moisture-stable ruthenium(II) precatalyst. Credit: Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01481-5

据英国曼彻斯特大学(University of Manchester, Manchester, UK)2024年4月8日提供的消息，曼彻斯特大学研究人员在催化剂技术方面取得了突破性进展:研制出用于新反应发现和优化的尖端钌催化剂（Cutting-edge ruthenium catalyst for new reaction discovery and optimisation）。

他们已经开发出一种新的催化剂，这种催化剂已被证明具有广泛的用途，并有可能简化工业优化过程，并支持新的科学发现。

催化剂通常被认为是化学领域的无名英雄，在加速化学反应(chemical reactions)方面发挥着重要作用，在大多数制成品的生产中起着至关重要的作用。例如，聚乙烯的生产，这是一种常见的塑料，用于各种日常用品，如瓶子和容器，或在汽车中发现，将发动机废气中的有害气体转化为危害较小的物质。

其中，铂族金属钌（ruthenium, Ru）已成为一种重要而常用的催化剂。然而，虽然是一种强大且具有成本效益的材料，但高活性的钌催化剂长期以来一直受到其对空气的敏感性的阻碍，这给其应用带来了重大挑战。这意味着到目前为止，它们的使用仅限于拥有专业设备的训练有素的专家，限制了钌催化在各行业的全面采用。

在《自然·化学》（Nature Chemistry）杂志网站发表的一项新研究中，曼彻斯特大学的科学家与全球生物制药公司阿斯利康(AstraZeneca, Macclesfield, UK)的研究人员合作，推出了一种钌催化剂，该催化剂被证明在空气中长期稳定，同时保持促进转化化学过程所需的高反应性。原文于2024年4月3日已经在《自然·化学》（Nature Chemistry）杂志网站发表——Gillian McArthur, Jamie H. Docherty, Mishra Deepak Hareram, Marco Simonetti, Iñigo J. Vitorica-Yrezabal, James J. Douglas, Igor Larrosa. An air- and moisture-stable ruthenium precatalyst for diverse reactivity. Nature Chemistry, 2024. DOI: 10.1038/s41557-024-01481-5. Published: 03 April 2024. https://www.nature.com/articles/s41557-024-01481-5

参与此项研究的除了来自英国曼彻斯特大学的研究人员之外，还有来自英国兰开斯特大学（Lancaster University, Lancaster, UK）、英国盐田化工园区低碳创新中心（Low Carbon Innovation Centre, Saltend Chemicals Park, Hull, UK）以及英国麦克尔斯菲尔德的阿斯利康（AstraZeneca, Macclesfield, UK）公司的研究人员。

上述论文的第一作者、曼彻斯特大学的博士生吉莉安·麦克阿瑟（Gillian McArthur）说：“我们对这一发现感到非常兴奋。我们的新型钌催化剂具有无与伦比的反应性，同时在空气中保持稳定性-这是以前认为无法实现的壮举。”

“除了不需要专门的设备或处理程序外，它还使用户能够同时进行反应，促进快速筛选和简化优化程序。这意味着程序更快捷，更环保，并防止了大量废物的积累。”

这一发现允许简单的处理和实施过程，并在广泛的化学转化中显示出多功能性，使非专业用户可以利用钌催化。与阿斯利康的合作证明了这种新催化剂在工业上的适用性，特别是在开发高效和可持续的药物发现和制造过程方面。

参与该项目的阿斯利康高通量实验总监（Director of High-Throughput Experimentation）詹姆斯·道格拉斯博士（Dr James J. Douglas）说:“催化对阿斯利康和更广泛的生物制药行业来说是一项关键技术，特别是当我们希望以可持续的方式开发和制造下一代药物时。这种新型催化剂（new catalyst）是对工具箱的重要补充，我们正在开始探索和了解其工业应用。”

这种新方法已经发现了从未报道过的钌的新反应，并且由于其增强的多功能性和可及性，研究人员预计该领域将进一步发展和创新。

这种新方法已经发现了从未报道过的钌（ruthenium）的新反应，并且由于其增强的多功能性和可及性，研究人员预计该领域将进一步发展和创新。

本研究得到了英国工程与物理科学研究委员会(Engineering and Physical Sciences Research Council简称EPSRC, EP/S02011X/1)和欧洲研究委员会 (European Research Council for an advanced grant RuCat, 833337)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Versatile, efficient and robust (pre)catalysts are pivotal in accelerating the discovery and optimization of chemical reactions, shaping diverse synthetic fields such as cross-coupling, C–H functionalization and polymer chemistry. Yet, their scarcity in certain domains has hindered the advancement and adoption of new applications. Here we present a highly reactive air- and moisture-stable ruthenium precatalyst [(^tBuCN)₅Ru(H₂O)](BF₄)₂, featuring a key exchangeable water ligand. This versatile precatalyst drives an array of transformations, including late-stage C(sp²)–H arylation, primary/secondary alkylation, methylation, hydrogen/deuterium exchange, C(sp³)–H oxidation, alkene isomerization and oxidative cleavage, consistently outperforming conventionally used ruthenium (pre)catalysts. The generality and applicability of this precatalyst is exemplified through the potential for rapid screening and optimization of photocatalytic reactions with a suite of in situ generated ruthenium photocatalysts containing hitherto unknown complexes, and through the rapid discovery of reactivities previously unreported for ruthenium. The diverse applicability observed is suggestive of a generic platform for reaction simplification and accelerated synthetic discovery that will enable broader applicability and accessibility to state-of-the-art ruthenium catalysis.