Science：来，给氮宾转移反应拍个照- 大数跨境

X-MOL资讯

2023-08-07

导读：近日，韩国科学技术院（KAIST）的Sukbok Chang和Dongwook Kim等研究者设计了一种含有双齿二噁唑酮配体的发色八面体铑配合物，其中光诱导的金属-配体电荷转移跃迁引发了催化的C-H键

副标题：铑催化酰基氮宾转移反应的机理快照

对于有机化学研究而言，识别催化过程中反应中间体的结构和电子性质对于阐明反应机制以及新型催化剂的设计至关重要。如图1A所示，金属-nitrenoid和-carbenoid物种被视为过渡金属催化烃类官能团化的关键中间体，但由于这些中间体的活性很高，金属-nitrenoid的实验观察极具挑战性。近年来，化学家通过配体工程来控制配位范围并稳定此类复合物，例如：1）Betley等人使用大位阻dipyrrin配体成功分离出铜-nitrenoid物种；2）Munz等人报道了活性钯(II)-磺酰亚胺基和钯(0)-芳基/烷基氮烯物种的潜在催化应用；3）Powers等人通过单晶X-射线衍射观察到Rh₂-nitrenoid物种的独特光诱导形成以及相应Rh₂-叠氮化物复合物中释放的N₂。然而，目前对acylnitrenoid类同系物的相关研究却很少，这主要是因为N-酰基取代基极大地破坏了nitrenoid物种的稳定性并产生了各种分解途径。最近，1,4,2-二噁唑-5-酮（即二噁唑酮）作为一种更友好且反应性更高的N-酰基氨基源在有机合成领域得到了广泛关注，它可以从廉价易得的羧酸原料轻松获得，同时仅释放CO₂副产物（图1B）。自2014年以来120多个课题组使用二噁唑酮进行一系列转化，例如：Bolm等人实现了光诱导钌催化硫化物的氮宾转移反应；而Sukbok Chang等人则使用半夹心d⁶族过渡金属催化剂实现了C-H键酰胺化反应。不过目前仍然缺乏机理研究手段来验证金属-acylnitrenoids物种的作用，同时二噁唑酮活化以获得此类中间体的模式也不确定。

近日，韩国科学技术院（KAIST）的Sukbok Chang和Dongwook Kim等研究者设计了一种含有双齿二噁唑酮配体的发色八面体（chromophoric octahedral）铑配合物（图1C），其中光诱导的金属-配体电荷转移跃迁引发了催化的C-H键酰胺化。此外，Rh-二噁唑酮配合物的X-射线光晶体学分析阐明了Rh-acylnitrenoid物种的结构，并提供了确凿的证据证明单线态nitrenoid物种主要负责酰基氨基转移反应。值得一提的是，作者还监测了亲核试剂与原位生成Rh-acylnitrenoid物种的晶体反应，提供了在晶体学上可追踪的反应体系来捕获nitrenoid转移的机制快照。相关成果发表在Science 上。

图1. 表征过渡金属-nitrenoid在催化C-H键酰胺化反应中的作用。图片来源：Science

如图2A所示，分离金属-acylnitrenoid中间体面临着两大挑战：1）二噁唑酮与金属中心的低结合亲和力导致金属-二噁唑酮前体较难合成；2）金属-acylnitrenoid不稳定，会发生快速分解（如：Curtius型分子内重排）。为此，作者从二噁唑酮（1）和相应的双环金属化铑(III)络合物[Rh1]X出发，在二氯甲烷为溶剂的条件下成功地制备了具有双齿二噁唑酮配体的光响应八面体铑配合物（即[Rh2]PF₆和[Rh2]BArF，图2B），其中吡啶基的存在会提高二噁唑酮与金属中心的结合亲和力。随后，作者对铑-二噁唑酮络合物[Rh2]BArF进行了紫外-可见光谱分析（图2C），结果显示[Rh2]BArF在蓝色至UV-A区域显示出显著吸收，而二噁唑酮（1）仅显示出边际吸收。基于TDDFT模拟，[Rh2]BArF在近紫外区域的吸收特性归因于从Rh-d轨道到二噁唑酮（1）π*轨道的金属-配体电荷转移（MLCT）。为了衡量MLCT转移是否会导致Rh-nitrenoids物种的形成，作者通过DFT计算来研究[Rh2]的潜在活化途径，结果显示当单线态¹[Rh2] 被光激发至其三线态MLCT 态³[Rh2]时，异步脱羧可以进行并形成低能垒的三线态nitrenoid ³[Rh3]（图2D）。相比之下，单线态¹[Rh₂]的协同脱羧过程能垒较高（24.2 kcal/mol）并提供相应的单线态nitrenoid ¹[Rh3]，同时三线态和单线态acylnitrenoid [Rh3]之间的预测能量差仅为1.7 kcal/mol。

图2. Rh-二噁唑酮复合物的合成及其光化学性质。图片来源：Science

随后，作者通过光照来获得Rh-acylnitrenoid中间体，但在液相中捕获这些转瞬即逝的金属-acylnitrenoid中间体时却以失败告终。为此，作者通过X-射线光晶体学方法观察Rh-acylnitrenoid物种，即，将[Rh2]BArF晶体置于100 K和370 nm光照下进行反应（图3A），成功地观察到在晶体基质中组成无序的Rh-acylnitrenoid物种以及CO₂（即[Rh3](BArF)(CO₂)），并且[Rh3](BArF)(CO₂)中捕获的CO₂分子键长与先前报道CO₂晶体结构中的C=O键长相一致，这些结果支持了所提出的通过金属-二噁唑酮配位脱羧来活化二噁唑酮的机制，从而排除了涉及二噁唑酮N-O键氧化加成的替代途径。如图3B所示，作者还通过基质辅助激光解吸/电离质谱（MALDI-MS）探究了Rh-二噁唑酮复合物的光活化。在355 nm光照下，[¹⁴N-Rh2]BArF复合物在质谱中产生了一个显著的峰（m/z=509.03），这对应于脱羧阳离子Rh-acylnitrenoid物种 [¹⁴N-Rh3]（计算值m/z=509.0592）。当使用¹⁵N标记的[¹⁵N-Rh2]BArF在相同条件下进行检测时，在质谱中观察到的显著峰包含源自二噁唑酮配体的¹⁵N标记氮原子，并且两个峰的同位素分布与[¹⁴N-Rh3]和[¹⁵N-Rh3]的模拟质谱一致。

图3. 在晶体中获得Rh-acylnitrenoid物种。图片来源：Science

接下来，作者试图探索Rh-acylnitrenoid物种对碳氢化合物的反应性（图4A），即用370 nm光对[Rh1]PF₆、二噁唑酮1和苯的二氯甲烷混合物进行照射，观察到定量的C(sp²)-H键酰胺化产物（[Rh4]PF₆）。类似地，环己烷也能以72%的产率转化为相应的C(sp³)-H键酰胺化产物（[Rh5]PF₆），并通过X-射线晶体分析证实了其结构。如图4B所示，作者以[Rh1]BArF（10 mol%）为催化剂对各种芳烃底物进行了考察，结果显示苯（2）、对二甲苯（3）、1,4-二甲氧基苯（4）、1,4-二氯苯（5）、1,4-二取代芳烃（6）以及苯酚（7）均能实现这一转化，其中产物6在给电子基的邻位C(sp²)-H键处进行酰胺化（产率：50%），其结构通过X-射线衍射分析得到确证。此外，使用同位素标记的二噁唑酮也可以70%的产率获得¹⁵N标记的苯胺¹⁵N-2，而1,2-二氯苯进行反应时则获得了酰胺化产物的可分离区域异构体混合物（8和9）。另一方面，该光化学方案还能选择性地实现C(sp³)-H键酰胺化，例如：环己烷（10, 产率：69%）和环戊烷（11, 产率：46%），尽管需要增加催化剂和底物负载量。有趣的是，当金刚烷作为底物进行反应时，三级C(sp³)-H键酰胺化（12）要优于二级C(sp³)-H键酰胺化（13）。

图4. Rh-二噁唑酮配合物的光化学反应性。图片来源：Science

在此基础上，作者尝试研究与催化 C-H键酰胺化反应相关的Rh-acylnitrenoids物种的电子结构和自旋态。当含有手性中心的叔C(sp³)-H键底物进行反应时，在胺化产物(R)-14中观察到立体化学的完全保留（图5A），这表明反应是通过单线态nitrenoid ¹[Rh3]的协同C-H键插入途径进行的，因为三线态nitrenoid是通过氢原子攫取（HAA）进行反应，这会导致立体化学完整性的损失。此外，环己烷和环己烷-d₁₂底物之间的分子间竞争实验给出的KIE值为2.3（图5B），这明显低于由HAA/自由基回弹机制获得的典型KIE范围（8~11）。尽管现阶段不能完全排除氢原子攫取和快速自由基重组的可能性，但以环己烷为模型底物对[Rh3] C-H键酰胺化进行的计算研究表明单线态的插入能垒比三线态的HAA途径低2.8 kcal/mol（图5C）。另一方面，虽然二噁唑酮的光活化是由三重态引发的，但上述实验机制探针强烈表明观察到的C-H键酰胺化反应性是由自旋交叉后的单线态Rh-acylnitrenoid ¹[Rh3]促进的。为了进一步探究所提出的Rh-acylnitrenoid物种的电子结构，作者对¹[Rh3]的DFT优化结构进行了CASSCF计算（图5D），其中Rh(III)-酰基氮烯为主要构型（81%），而Rh(V)-酰亚胺为次要构型（7%），并且后者作为Rh(III)-酰基氮烯的多构型态共存。轨道计算结果表明存在d⁶ Rh(III)-酰基氮烯构型，同时计算得出Rh-N的 Löwdin 键序（1.19）表明Rh金属中心和nitrenoid单元之间存在弱多重键合相互作用。

图5. Rh-酰基氮烯转移至C-H键的机理研究。图片来源：Science

鉴于单线态 Rh-酰基氮烯物种参与光诱导C-H键酰胺化的基本原理，作者推测该中间体也会对外部亲核试剂表现出亲电反应性。如图6A所示，当使用365 nm LED-NMR监测[Rh2]PF₆在丙酮-d₆中的光解反应时，20 min后以75%的产率获得丙酮结合的Rh-二噁唑络合物（[Rh6-d₆]PF₆），这可归因于初始nitrenoid物种的形成以及随后与O-亲核试剂丙酮的反应。此外，DFT计算表明二噁唑[Rh6]的形成很可能是通过逐步N-O键形成、闭环C-O键形成的，总能垒为11.0 kcal/mol（图6B）。相比之下，在三重态上形成类似N-O键需要更高的能垒（42.7 kcal/mol），这表明单线态nitrenoid ¹[Rh3]将单独负责该过程。最后，作者试图在固态下监测氮烯转移，即在丙酮和环己烷的共溶剂中从[Rh1]PF₆和二噁唑酮1获得Rh-二噁唑酮络合物与丙酮分子[Rh2](PF₆)(丙酮)的共晶，其中丙酮分子位于二噁唑酮核心附近，并且丙酮的氧原子与二噁唑酮环质心之间的距离为2.695 Å（图6C）。对[Rh2](PF₆)(丙酮)进行X-射线光晶体学实验，结果表明共结晶的丙酮确实并入了原位生成的Rh-acylnitrenoid物种中，因此30 min后产生了19%组成无序的二噁唑部分([Rh6]PF₆)。在光诱导晶体转化过程中，二噁唑酮单元的两个键断裂，同时形成两个新键并产生二噁唑骨架，这种晶体到晶体的转变涉及一系列机理步骤，包括生成高度瞬态中间体，然后由外部分子进行分子间捕获。值得一提的是，这种晶体反应性与在液相中观察到的实验结果相一致。

图6. Rh-二噁唑酮光诱导形成Rh-二噁唑。图片来源：Science

总结

本文研究团队设计了一种含有双齿二噁唑酮配体的八面体铑配合物，其中光诱导的金属-配体电荷转移跃迁引发了C-H键酰胺化。此外，Rh-二噁唑酮配合物的X-射线光晶体学分析阐明了Rh-acylnitrenoid物种的结构，并提供了确凿的证据证明单线态nitrenoid物种主要负责酰基氨基转移反应。值得一提的是，作者还监测了亲核试剂与原位生成Rh-acylnitrenoid物种的晶体反应，提供了在晶体学上可追踪的反应体系来捕获nitrenoid转移的机制快照。该项研究有望为开发高反应性和选择性的催化剂提供新策略，促进烃类向高价值产品的转化。

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