国科大楚甲祥课题组与合作者 JACS：次级配位环境调控下后过渡金属氮宾的反应性

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中国科学院大学楚甲祥与密歇根大学Szymczak课题组合作，发现当次级配位环境中存在路易斯酸性基团时，后过渡金属镍(II)氮宾在活化C-H键的过程中表现出与前过渡金属氮宾类似的反应性（JACS, 2022, doi:10.1021/jacs.2c06662）。

1. 研究背景

对于一个配合物来说，通常我们可以把配体中跟金属直接相连的部分称为“初级配位环境”（primary coordination sphere 或 first coordination sphere），跟金属不直接相连、但是跟金属上的配体/底物有相互作用（或者可能有相互作用）的部分称为“次级配位环境”（secondary coordination sphere 或 second coordination sphere）。这些次级相互作用包括路易斯酸碱相互作用、静电作用、氢键、冠醚-金属络合等（图1，ChemSocRev 2022，51，1861）。

图1. 初级配位环境，以及几种常见的次级配位环境。

可以看到，上述多种次级相互作用在酶/蛋白质的结构中也比较常见。实际上，这些次级相互作用在很多金属酶催化的小分子活化过程中发挥着重要作用。例如在固氮酶中，铁钼辅酶附近的氨基酸残基在氮气活化及转化中可能发挥着重要作用（图2，JACS 2017，139，5952）。

图2. 固氮酶活性位点附近的次级配位环境（概念图）。

受此启发，近期人们发现除了初级配位环境外，次级配位环境对金属配合物的反应性也具有重要影响。例如，Chang和Nocera等人受到过氧化酶活性中心结构的启发，设计了一个具有“绞刑架”构型的配合物（Hangman complex），即在卟啉配合物的次级配位环境中引入氢键作用（图3，JACS 2003，125，1866）。与不含羧酸基团的类似配合物相比，该Hangman配合物催化双氧水分解和烯烃环氧化的速率得到明显提高，表明该氢键作用可促进双氧水中O-O键断裂。

图3. 一个以氢键作为次级配位环境的Hangman配合物的结构设计。

基于该领域的快速发展，ChemRev最新一期专刊即介绍次级配位环境和更外层配位环境（outer coordination sphere）在催化中的应用（图4，ChemRev 2022，122，issue 14）。

图4. Chem Rev最新一期专刊封面，主题为外层配位环境。

2. 配体设计和课题设计

双磷配体是金属有机化学和配位化学中的一类经典配体，在催化氢化、偶联、固氮等反应中有着广泛应用。合成含硼基侧链的双磷配体，即在双磷配合物中引入路易斯酸性次级配位环境，预期将具有很好的应用前景，但是目前对这类配体的合成和配位化学的报道仍然很少（图5）。

图5. 含硼基侧链的双磷配体的结构设计。

这类PPB配体之所以难以合成，除了因为烷基磷化合物对空气敏感之外，还存在选择性问题，即需要在双磷配体的四个取代基中选择性引入一个不同取代基。这最终通过添加保护基、然后脱保护的方法得以实现（图6）。本课题中报道了两种PPB配体1a和1b的合成，其中磷和硼之间分别有两个和三个碳原子。

图6. 含硼基侧链的双磷配体的合成。

在得到上述配体后，着手研究这类配体的配位化学。含M=N双键的金属氮宾是金属有机化学中一类非常重要的结构。一方面，本文作者之一（楚甲祥）曾研究过稀土金属钪氮宾配合物（图7上，ACIE 2011，50，7677；JACS 2013，135，8165；JACS 2014，136，10894）和第5族金属钒氮宾配合物（图7下，JACS 2018，140，15375）的反应性；另一方面，Mindiola和Hillhouse等人利用叔丁基取代的双磷配体dtbpe合成了首例镍氮宾配合物(dtbpe)Ni(NDipp)（JACS 2001，123，4623）。受此启发，决定沿着元素周期表向右走，开展后过渡金属镍氮宾配合物方面的研究，并在其次级配位环境中引入路易斯酸性基团。

图7. 钪氮宾和钒氮宾的一些反应性研究。

由于后过渡金属氮宾通常可以通过低价金属与叠氮化合物的反应得到，因此研究了两种PPB配体稳定的Ni(0)-COD配合物3a/3b与一系列叠氮的反应。

3. 芳基取代的氮宾配合物的形成及稳定性

首先研究了Ni(0)配合物3a/3b与MesN3的反应（图8）。当磷和硼之间有两个碳原子的时候，可以得到镍氮宾配合物5a。X-射线单晶衍射表明该配合物中存在氮宾配体的氮原子和硼基侧链之间的作用。与大多数氮宾配合物中M-N-C接近线型不同，5a中M-N-C明显弯曲（为75.4度）。该氮宾配合物室温不稳定，但可与CO或tBuNC发生氮宾转移反应，生成MesNCO或MesN=C=NtBu。

图8. Ni(0)配合物3a/3b与MesN3的反应。

当磷和硼之间有三个碳原子时，则得到配体C-B键断裂的产物5b（图8）。推测反应中生成与5a类似的氮宾配合物中间体，随后发生C-B键对Ni=N键的加成。

上述工作表明，相比磷和硼之间有三个碳原子的PPB配体，磷和硼之间有两个碳原子的配体可能更有利于镍氮宾物种的稳定。

为了合成更加稳定的镍氮宾配合物，研究了Ni(0)配合物3a与位阻更大的DmpN3的反应（即在芳环的2,6-位引入Mes基团），分离到氮原子上取代基发生C-H键活化的产物5c（图9）。推测反应中生成一个镍氮宾配合物中间体(PPB)Ni(NDmp)，随后发生C-H键对Ni=N键的加成。

图9. Ni(0)配合物3a与DmpN3的反应。

4. 分离反应中间体——金属叠氮配合物

为了分离图8和图9所示反应中的镍氮宾配合物中间体，研究了Ni(0)配合物3a/3b与相应叠氮化合物在低温下的反应。通过原位核磁监测发现，两者在-35oC左右生成不稳定中间体4（升高温度即发生分解）。对其进行X-射线单晶衍射表征发现，这并不是推测中的Ni(II)氮宾配合物，而是Ni(0)叠氮配合物，并存在硼原子和叠氮末端氮原子之间的相互作用（图10）。

图10. Ni(0)配合物3a/3b与芳基叠氮在低温下的反应。

叠氮配合物可作为氮宾配合物生成过程中的中间体，但稳定性一般较差。另外，文献报道的叠氮配合物中，叠氮分子通常以η¹-N(γ)或η²-N(β)/N(γ)的模式与金属配位（根据到取代基的距离，叠氮分子的三个氮原子分别命名为α，β和γ）；而此处叠氮分子以κ²-N(α)/N(γ)的模式与金属配位。这种配位模式被认为是一些叠氮配合物向氮宾配合物转化的中间体，但类似的单核配合物从未被分离过。理论计算标明，B-N次级相互作用使得这种新颖的配位模式变得更加稳定。

5. 烷基取代的氮宾中间体对芳环C-H键的活化

前面研究了Ni(0)配合物与芳基叠氮的反应。由于烷基和芳基的供电子能力不同，且芳基氮宾配体ArN2-中的负电荷有可能离域到芳环上，因此烷基取代的氮宾与芳基取代的氮宾有时会具有不同的反应性。当Ni(0)配合物3a与金刚烷叠氮AdN3在芳香溶剂（苯、甲苯、间二甲苯）中反应时，可以活化芳环C-H键，得到一系列Ni(II)芳基胺基配合物6a-6c（图11）。推测该过程中发生了C-H键对氮宾中间体(PPB)Ni(NAd)的Ni=N键的1,2-加成。另外，当3a与AdN3的反应在THF中进行时，向体系中加入tBuNC，可得到AdN=C=NtBu，从另一个角度证明了镍氮宾配合物中间体(PPB)Ni(NAd)的存在。

图11. Ni(0)配合物3a与金刚烷叠氮在芳香溶剂中反应，发生溶剂的C-H键活化。

图11中反应的独特之处在于，通常后过渡金属氮宾配合物中M=N键极化程度较低，其活化C-H键时一般采用均裂模式，即将C-H键底物打断为烷基自由基和氢自由基。由于苯环C-H键均裂能很高，因此后过渡金属氮宾（如镍氮宾，见图12）通常无法活化苯环C-H键，只能活化键能更弱的苄位C-H键等。

图12. 一些已知的镍氮宾配合物对C-H键的均裂。

相比之下，前过渡金属氮宾配合物中M=N键极化程度较高，其活化C-H键时往往采用异裂模式，即将C-H键底物打断为烷基负离子和氢正离子。因此一些前过渡金属氮宾可以活化比较惰性的苯环C-H键（甚至甲烷C-H键），得到1,2-加成产物（图13，JACS 1988，110，8731；1996，118，591）。

图13. 前过渡金属锆氮宾配合物对C-H键的异裂。

上述结果表明，含硼基侧链的镍氮宾配合物中间体不仅可以活化惰性的苯环C-H键，而且表现出与传统后过渡金属氮宾配合物不同的活化模式，而与前过渡金属氮宾配合物类似。当苯环C-H键与苄位C-H键同时存在时（如甲苯、间二甲苯），还可以选择性活化更加惰性的苯环C-H键。

作为对照实验，使用不含硼基侧链的简单depe配体重复上述反应，即(depe)Ni(COD) + AdN3或(depe)Ni(COD) + R-BBN + AdN3在甲苯中反应，均未观察到芳环C-H键活化产物。这说明硼基侧链对镍氮宾物种的形成及反应性具有重要影响。

6. 理论计算研究

为进一步研究硼基侧链对镍氮宾配合物的结构及反应性的影响，团队通过理论计算的方法对反应中间体(PPB)Ni(NAd)的结构进行了研究（图14中的7a，使用叔丁基代替金刚烷基，并使用甲基代替乙基）。通过与不含硼基侧链的(dmpe)Ni(NtBu)（图14中的7b）的结构对比发现，引入硼基基团后Ni-N键被明显极化，表现为镍氮之间的电荷差由0.172变为0.622，Ni-N键长由1.660 Å拉长为1.782 Å，而Ni-N键级由1.436降为0.776。这表明B-N次级相互作用使得Ni-N键更加极化，氮宾配体的碱性增强，从而有利于C-H键异裂反应的进行。

图14. 通过理论计算研究硼基侧链对镍氮宾配合物结构的影响。

7. 结论

本课题通过在双磷配体上引入硼基侧链，得到一系列含路易斯酸性次级配位环境的配合物。该B-N次级相互作用对Ni(0)配合物与叠氮化合物之间的反应具有重要影响，包括：（1）提高了反应中间体（如具有新颖配位模式的叠氮配合物）的稳定性；（2）改变产物的配位构型，如分离到一种镍氮宾物种，具有弯曲Ni-N-C构型；（3）使镍氮宾物种中的Ni-N键更加极化，并且当苯环C-H键与苄位C-H键同时存在时，选择性活化更加惰性的苯环C-H键。最后，实验表明该C-H键活化产物可以在碱的存在下发生还原消除，因此有望发展基于该过程的催化反应。

中国科学院大学研究生王宝禄和密歇根大学博士后Chris Seo为该工作的共同第一作者，中国科学院大学楚甲祥和密歇根大学Nathaniel K. Szymczak教授为共同通讯作者，中国科学院大学为第一完成单位。

本课题开展过程中得到中科院上海有机所/华南理工大学陈耀峰教授、德国萨尔大学Dominik Munz教授、中国科学院大学王洋教授、德国纽伦堡大学Karsten Meyer课题组茅炜清博士的支持和帮助，在此表示感谢。

原文链接
https://doi.org/10.1021/jacs.2c06662

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