【物化】JACS：硫桥联双钴反应体系逐步还原氧化还原非保守性亚硝基苯为苯胺- 大数跨境

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2024-08-01

导读：大连理工大学曲景平教授课题组与中国科学院大连化学物理研究所叶生发研究员课题组合作，通过中心金属与桥联配体理性调控策略，设计构建了一个全新的硫苯基桥联的双钴反应体系，首次在同一体系内稳定了三种不同氧化态

亚硝基苯(PhNO)和苯基羟胺(PhNHOH)是致癌的硝基苯(PhNO₂)和苯胺(PhNH₂)在生物体内还原与氧化代谢过程的关键中间体，同时两者在许多重要的有机催化反应中也扮演着十分重要的角色。此外，PhNO作为重要的生物信号分子HNO的稳定衍生物以及单线态O₂的类似物，受到了生物无机化学家和配位化学家们的广泛关注。因此，系统开展过渡金属配合物对PhNO的活化与转化反应对于理解PhNO生物代谢过程和设计开发PhNO相关的催化新反应具有十分重要的科学意义。

PhNO是一种氧化还原非保守性的配体，当其与金属中心作用时，能够以三种不同氧化态 (PhNO⁰、PhNO^•−和PhNO²⁻) 进行配位合成不同类型的PhNO配合物。在特定条件下，不同氧化态的PhNO能够实现相互转化，但是由于金属氧化还原性质的影响导致目前仍未见在同一个反应体系实现三种氧化态之间的可逆转化的相关报道。此外，不同氧化态的PhNO对后续生成PhNHOH的影响仍缺乏基本的认识，同时，关键的PhNHO⁻配合物目前仍鲜有报道且缺少关键的热力学数据。

大连理工大学曲景平教授课题组长期开展仿生化学模拟生物固氮酶以及惰性小分子活化与转化的系统研究工作 (J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15250; J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1147; Nat. Chem. 2013, 5, 320; Nat. Chem. 2022, 14, 46; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202203121; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 20578; Acc. Chem. Res. 2024, 57, 1761)。在前期工作中，该课题组通过铁-铁&铁-硫协同实现了硫配体高选择性插入PhNO的N=O键，合成了首例双铁苯基亚磺酰胺配合物，值得注意的是，该四电子还原转化过程中，铁作为电子穿梭载体，而硫配体作为电子供体 (J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 17374)。近日，该课题组与中国科学院大连化学物理研究所叶生发研究员课题组合作，通过中心金属与桥联配体理性调控策略，设计构建了一个全新的硫苯基桥联的双钴反应体系，首次在同一体系内稳定了三种不同氧化态的PhNO，并实现了三者之间的可逆氧化还原转化，选择合适的质子源合成了首例双钴PhNHO⁻配合物，进一步通过质子耦合电子转移(PCET)过程实现了PhNO逐步四电子还原转化为PhNH₂全过程的仿生功能模拟，反应整体全貌如图1所示。

图1. 硫桥联双钴配合物介导PhNO逐步四电子还原转化为PhNH₂反应全过程

首先，作者以{Co^III(μ-SPh)₂Co^III}为协同反应平台，通过配体交换反应合成了双钴PhNO⁰配合物，进一步基于氧化还原电位选择合适的单电子还原剂分别合成了双钴PhNO^•−和PhNO²⁻配合物。同时，选择合适的单电子氧化剂，反向实现了由双钴PhNO²⁻依次制备双钴PhNO^•−和PhNO⁰配合物。通过X-射线单晶衍射对这些PhNO配合物的分子结构进行了明晰表征 (图2A, B, C)，值得注意的是，当亚硝基苯以PhNO²⁻形式存在时，其配位形式为不对称的μ-η¹:η²，而不是PhNO^•−和PhNO⁰的μ-η¹:η¹，同时，为了保持六配位的Co^III中心不变，其中一个共价的钴硫键发生断裂。

图2. 配合物2−5的晶体结构图

值得一提的是，该硫桥联双钴反应体系介导PhNO⁰ ↔ PhNO^•− ↔ PhNO²⁻的可逆转化过程中，钴中心为氧化还原保守性的，始终保持在低自旋状态和+III价态，而氧化还原反应仅发生在PhNO上。基于此，作者通过密度泛函理论计算(DFT)对三个双钴PhNO配合物的电子结构进行了分析 (图3)。结果表明，电子的得失只发生在N−O的π*反键轨道上，而钴中心相关的分子轨道则未发生变化。

图3. PhNO配合物2−4的电子结构分析

随后，考察了双钴PhNO⁰、PhNO^•−和PhNO²⁻配合物与不同类型的供氢试剂的反应，即PhNO⁰配合物与氢负试剂 (LiBEt₃H、NaH)、PhNO^•−配合物与氢自由基试剂 (TTBP、TEMPOH) 和PhNO²⁻配合物与质子酸 (LutHBPh₄、PhSH) 的反应。结果表明，PhNO⁰ 和PhNO^•−配合物均不能与氢负和氢自由基试剂反应生成PhNHO⁻配合物，而PhNO²⁻配合物则可以与弱质子酸PhSH反应，实现PhNO的氮质子化反应，生成一例罕见的双钴PhNHO⁻配合物 (图2D)，为认识何种价态的PhNO有利于进一步转化为PhNHOH提供了重要的实验证据。在硼烷存在下，双钴PhNHO⁻配合物能够发生N−O键断裂并释放PhNH₂，生成双钴羟桥配合物。更进一步在强质子酸存在的乙腈溶液中，转化为起始配合物1，实现了双钴配合物介导PhNO逐步还原转化为PhNH₂的转化循环(图1)。

最后，通过测定PhNO⁰配合物的还原电位和PhNHO⁻配合物的pK_a值，首次在同一反应体系中同时得到PhNHO⁻配合物的N−H键能BDE(N−H)和热力学水合能ΔG_H‾关键数据(图4)。

图4. 苯基羟胺基配合物5的N−H键能和热力学水合能ΔG_H‾计算

综上所述，通过理性设计双金属功能配合物，成功在一个体系内实现了PhNO三种不同氧化态之间的可逆转化，并模拟了PhNO逐步四电子还原转化为PhNH₂的全过程。同时，分离并详细表征了一例罕见的双钴PhNHO⁻配合物，并通过实验化学获得了一系列重要的热力学数据。上述研究结果为从分子层面系统认识PhNO生物还原代谢过程提供了重要的功能模型。

上述研究结果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。大连理工大学博士研究生王志杰、张昊言以及大连化学物理研究所博士研究生张鹏为共同第一作者，大连理工大学杨大伟副教授和大连化学物理研究所叶生发研究员为共同通讯作者，该研究工作还得到了曲景平教授的悉心指导。该工作得到了国家自然科学基金委、精细化工国家重点实验室、教育部智能材料化工前沿科学中心、“111”创新引智基地、辽宁省生物基化学品重点实验室以及中央高校基本科研业务费等经费支持。

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