【催化】“铬”有千秋：氮气的定量亲电衍生化

2023-04-24 09:42:43

自1965年第一例过渡金属氮气配合物被合成以来，化学家们一直致力于配位氮气的衍生化反应研究。目前，配位氮气主要的活化模式是通过富电子低价金属向氮气的π*轨道反馈电子形成强的反馈π键来活化氮气的π系统，因而后续的衍生化反应往往由亲电试剂（H⁺/C⁺/Si⁺等）对配位氮气进行亲电进攻来实现。在过去的近60年间，有超过600例结构明确的末端氮气配合物被报道，但其中只有不到8%的氮气配合物能够发生亲电衍生化，生成二氮烯（diazenido）及亚肼（hydrazido）类衍生物。更重要的是，这些配位氮气的计量反应往往得不到令人满意的收率，低效的衍生化反应不仅制约了二氮烯/亚肼等反应中间体的后续研究，还作为氮气催化循环（Schrock循环）的起始步骤成为了催化转化反应的“短板”。目前，氮气亲电衍生化反应的研究主要集中在质子化，烷基化与硅基化上，且相关反应多为零星报道，缺乏系统性的研究工作来回答H⁺/C⁺/Si⁺反应化学上的区别。

图1. 氮气分步亲电衍生化（质子化、烷基化、硅基化）

北京大学席振峰/魏俊年课题组致力于实现温和条件下直接从氮气合成含氮有机化合物，已经分别实现了远端路径（Distal Pathway）和缔合路径（Associative Pathway）铬氮气配合物的硅基化反应：铬端基配位的亚肼衍生物（η¹-hydrazido）（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4241）；铬侧基配位的肼衍生物（η²-hydrazido）（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 7065）。近日，他们为了回答“如何高效实现氮气的亲电衍生化”这一关键科学问题，聚焦于氮气第一、二根氮氮键的活化转化（图1），与中国科学院大连化学物理研究所叶生发课题组深入合作，对铬氮气配合物的质子化/烷基化/硅基化反应进行了系统研究，确定了氮气→二氮烯→肼的定量分步过程，首次系统测量了两步反应的二级反应速率常数，并针对质子化/烷基化/硅基化反应的速率差异进行了理论分析，最终以接近定量转化的高收率合成了一系列不同取代基的亚肼类衍生物。

图2. 铬氮气配合物的亲电衍生化反应动力学

作者首先尝试了零价铬氮气配合物[Cp^*Cr⁰(depe)N₂]K(OEt₂)₂ (1) 和[Cp^*Cr⁰(depe)N₂][K(cryptand-222)] (1-crypt) 与不同亲电试剂在低温下（如193 K）的衍生化反应，实验发现单电子氧化（SET）的副产物[Cp*Cr(depe)]₂(μ-N₂) (2) 经常无法避免。这促使作者利用低温紫外可见光谱（UV-vis），对铬氮气配合物的亲电衍生化反应历程开展了系统研究（图2）。低温紫外可见光谱上等吸光度点（isosbestic point）的存在能够清晰地说明各步质子化/烷基化/硅基化反应在低温下基本为定量转化，且亲电衍生化反应是分两步进行的。在低温下（173 K）能原位捕捉到第一步亲电衍生化相应的二氮烯中间体：[Cr^II-N=NH] (3-H), [Cr^II-N=NMe] (3-Me), [Cr^II-N=NSiMe₃] (3-SiMe₃)。第二步亲电衍生化能将中间体二氮烯转化为更稳定的亚肼类衍生物，一系列相同或不同取代基的亚肼类衍生物能被原位光谱学表征得到：[Cr^IV=N-NH₂]⁺(4-H/H), [Cr^IV=N-NMe₂]⁺(4-Me/Me), [Cr^IV=N-N(Me)H]⁺(4-Me/H), [Cr^IV=N-N(SiMe₃)H]⁺(4-SiMe₃/H), [Cr^IV=N-N(SiMe₃)Me]⁺(4-SiMe₃/Me)。除了紫外可见光谱，作者还利用低温红外光谱（IR）和低温核磁（NMR）对这一系列二氮烯/亚肼衍生物及其¹⁵N、²H同位素标记物进行了详细的表征（图3）。

图3. 紫外可见光谱及¹⁵N NMR谱表征二氮烯及亚肼类衍生物

在第一步亲电衍生化反应过程中，质子化/硅基化/烷基化的反应速率是相当的：H⁺≈ Si⁺≈ C⁺。而第二步亲电衍生化的反应速率区别显著：H⁺ > Si⁺ ≫ C⁺。由于中间体[Cr^II-N=NH] (3-H)的寿命太短暂（173 K下仅5 min），因而3-H只能继续发生质子化生成4-H/H，此时速率较慢的硅基化和烷基化反应因竞争不过3-H的自身降解而不能顺利进行。此外，由于第一步质子化与第二步质子化的反应速率相当，在仅加入一当量HOTf时在紫外可见光谱上同时观察到了3-H与4-H/H的生成。上述二氮烯中间体的寿命次序如下: [Cr^II-N=NSiMe₃] (3-SiMe₃) > [Cr^II-N=NMe] (3-Me) ≫ [Cr^II-N=NH] (3-H)，作者认为增大取代基的位阻能够有效增加二氮烯中间体的寿命，在将取代基更换为SiⁱPr₃时，成功合成分离了稳定的二氮烯基配合物[Cr^II-N=NSiⁱPr₃] (3-SiⁱPr₃)，3-SiⁱPr₃的结构得到了X射线单晶衍射实验的确认。

基于低温紫外可见光谱给出的反应动力学信息，作者使用Et₂O作为反应溶剂，将反应温度降至Et₂O的凝固点来进行氮气的亲电衍生化反应，最大程度的抑制了SET副反应的发生，最终以82%-96%的高收率完成了五种铬亚肼基衍生物的大量制备，上述亚肼基配合物均由X射线单晶衍射实验所表征（图4）。

图4亚肼类衍生物的大量合成及单晶结构

最后，作者利用理论计算，对亲电衍生化过程中的动力学实验结果进行了相应的解释。第一步亲电衍生化由于成盐反应（KOTf）的影响，并没有反应势垒，且剧烈放热（> 25 kcal/mol），因此在动力学上质子化/烷基化/硅基化反应速率没有显著差别。对于第二步亲电衍生化反应而言，第二步质子化/甲基化反应同样是剧烈放热反应，但是甲基化需要越过~13 kcal/mol的反应势垒，这与实验上观察到第二步甲基化要在更高的温度下发生，且反应速率相对于质子化/硅基化更慢相吻合。对于第二步硅基化反应，反应放热显著小于质子化/甲基化，但实验观察到的硅基化反应速率与质子化接近，且显著快于甲基化。对于这一现象，可通过比较H⁺，Me₃Si⁺ 和Me⁺中心原子携带的正电荷数来解释。计算结果表明，相较于C原子，Si原子上有更高的正电荷密度，这意味着Me₃SiOTf有着比MeOTf更强的亲电能力，更容易被二氮烯的N_β亲核取代（S_N2）。

综上，作者针对“如何高效实现氮气的亲电衍生化”这一科学问题，利用零价铬氮气配合物作为平台分子，对配位氮气的亲电衍生化反应进行了系统的动力学探索，成功表征并分离了一系列二氮烯及亚肼类衍生化产物。该工作不仅加深了化学家对氮气早期功能化反应的理解，还为合理设计高效的氮气催化循环奠定了基础。近期该工作在线发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是北京大学博士后王高翔及博士研究生王雪丽，通讯作者是北京大学席振峰教授/魏俊年副研究员和大连化学物理研究所叶生发研究员。该研究由国家自然科学基金委“空气主份转化化学”基础科学中心和“团簇构造、功能及多级演化”重大研究计划项目资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Snapshots of Early-Stage Quantitative N₂ Electrophilic Functionalization

Gao-Xiang Wang^†, Xueli Wang^†, Yang Jiang, Wang Chen, Chunxiao Shan, Peng Zhang, Junnian Wei*, Shengfa Ye* and Zhenfeng Xi*

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c01497

关于该论文相关前期工作的介绍，参见：

https://www.x-mol.com/news/search?option=%E9%AD%8F%E4%BF%8A%E5%B9%B4&matchPhrase=true&xmol=1

导师介绍

叶生发，大连化学物理研究所研究员，博士生导师。1994-2001年于北京大学就读，获学士学位和硕士学位；2005年于德国斯图加特大学获博士学位。2005-2009年在德国马克斯-普朗克生物无机化学研究所和德国波恩大学从事博士后研究；2009-2019年先后于德国波恩大学、德国马克斯-普朗克化学能源转换研究所和煤炭研究所任课题组组长；自2020年起，在中国科学院大连化学物理研究所工作，任生物无机催化研究组组长。叶生发研究团队主要致力于发展光谱学理论和研制先进的光谱学仪器，并将发展的光谱学表征技术与理论计算结合，研究金属酶和模型配合物活化能源小分子的反应机制。

魏俊年，北京大学化学与分子工程学院副研究员。2010年和2015年先后于北京大学化学与分子工程学院取得学士和博士学位；随后分别于美国加州大学洛杉矶分校（2015年8月-2016年8月，合作导师：Prof. Paula Diaconescu）和美国加州大学旧金山分校（2017年1月-2020年7月，合作导师：Prof. Michael Evans）从事博士后研究工作；2020年9月入职北京大学。主要从事氮气的活化与转化研究，致力于实现温和条件下直接从氮气高效合成含氮有机化合物。

https://www.x-mol.com/university/faculty/357580

席振峰，北京大学化学与分子工程学院教授，中国科学院院士。1983年本科毕业于厦门大学化学系；1989年硕士研究生毕业于南京大学配位化学所、郑州大学和河南化学所（导师：金斗满研究员）；1996年博士研究生毕业于日本分子科学研究所（导师：高桥保 Tamotsu Takahashi 教授）。曾先后在河南化学研究所金斗满研究室、日本北海道大学触媒化学研究所高桥保研究室、日本北海道大学药学部学习或工作。科研领域及兴趣：集中在氮气的活化与转化，致力于实现温和条件下直接从氮气高效合成含氮有机化合物。研究内容涉及金属有机化学、配位化学、光化学、电化学、有机合成化学及催化。

https://www.x-mol.com/university/faculty/8606