DOI: https://doi.org/10.1038/s41557-022-01036-6
日前，重庆大学理论与计算重点实验室蓝宇课题组与清华大学化学系刘强课题组合作，创新性的介绍了一种金属氢化物酰胺化物配合物(HMn-NLi)的合成、分离和反应性，并通过DFT计算研究了催化反应的机理，其中涉及H2活化步骤。研究结果很好地解释了观察到的[Mn]-1和[Mn]-2对酮加氢的相似催化活性。
广泛应用的Noyori型加氢催化剂的高效率源于与金属中心配位的N-H基团，其通过氢键相互作用稳定了决定速率的过渡态。有人提出，通过使用大量过量的金属醇盐(M'OR)用N-M'基团（M'=碱金属）取代N-H基团可以实现更高的效率；然而，研究人员尚未分离出这种金属氢化物酰胺化物中间体。
1. 本工作创新性的介绍了一种金属氢化物酰胺化物配合物(HMn-NLi)的合成、分离和反应性。动力学研究表明，氢化物从HMn-NLi转移到酮的速率比相应的氨基金属氢化物配合物(HMn-NH)高24倍。
2. 此外，本工作使用HMn-NLi作为活性催化剂实现了N-烷基取代醛亚胺的加氢，而HMn-NH的效果要差得多。
3. 这些结果突出了M/NM'双功能催化在加氢反应中优于经典的M/NH双功能催化。
▲图1. 极性不饱和化合物的催化加氢及反应机理
1、极性不饱和化合物的催化加氢是精细化学和药物合成中最强大的转化之一（图1a）。大多数报道的均相金属催化剂通过经典的内球氢化机制（图1b）对羰基底物的氢化表现出相对较低的效率和C=O/C=C化学选择性，直到发现Noyori型金属配体（M/NH) 双功能催化剂。
2、本工作表明，通过外层加氢机制为简单的酮加氢提供了高对映选择性、化学选择性和高达数百万的转化数(图1c)。这些开创性的工作推动了加氢等应用双功能催化剂的快速发展。
3、进一步深入的机理研究表明，通过M/NH双功能催化的催化加氢以逐步的方式发生，其中N-H基团保持完整，并通过稳定氢化物转移的过渡态和随后的H2裂解步骤来促进这种转变（图1c, X=H)。
4、为了分离高活性的HM-NM'配合物，本工作设想具有小原子半径的中心金属M和高氢化物亲和力的碱金属M'，有利于氢化物和M'之间的相互作用，从而稳定此类配合物(图1d)。正如预期的那样，氢化物和锂之间的成键相互作用有助于HMn-NLi配合物的稳定(图1d)。这种明确定义的HMn-NLi配合物是一种用于加氢反应的孤立的、具有催化活性的过渡金属-酰胺氢化物，与相应的HMn-NH配合物相比，在与酮的化学计量氢转移反应中表现出明显的反应活性提高。
5、值得注意的是，本工作使用HMn-NLi作为催化剂成功地实现了由M/NM'双功能催化实现的有效亚胺加氢反应，而HMn-NH配合物通过M/NH双功能催化显示出非常低的催化活性（图1e）。
▲图2. Mn-氢化物酰胺配合物的制备及单晶结构
1、tBuOK通常用作活化锰催化（脱）加氢反应中的预催化剂的碱。因此，为了确定在报道的催化反应条件下是否形成了Mn-氢化物酰胺化物物质，本工作首先使氨基Mn-氢化物络合物[Mn]-1与不同量的tBuOK反应。
2、结果表明，[Mn]-1的N-H基团首先被tBuOK去质子化，形成热力学不稳定的Mn-氢化酰胺酸钾络合物，NMR光谱无法检测到该络合物，然后进行反质子化以产生更稳定的 立即反异构体[Mn]-1'。
3、为了促进Mn-氢化物酰胺化物的形成，将含有具有更大氢化物亲和力的金属的更强碱LiCH2SiMe3与[Mn]-1在甲苯中反应。通过NMR光谱监测反应过程。LiCH2SiMe3与[Mn]-1的反应在己烷中在氢气气氛下进行，目的是形成这种敏感产物作为沉淀物，从而避免其分解（图2c），在这些反应条件下沉淀出锂锰-氢化物酰胺化物络合物[Mn]-2*，并以95%的收率分离。
▲图3. 动力学研究
1、本工作接下来在与4-甲氧基二苯甲酮1a的化学计量氢化物转移反应中比较氨基 Mn-氢化物配合物[Mn]-1和Mn-氢化物酰胺酸锂配合物[Mn]-2的反应性（图3a）。[Mn]-1、[Mn]-2和[Mn]-3在400-600nm波长范围内的紫外-可见吸收光谱如图3b所示。
2、这项定量研究通过实验考察了金属-氢化物酰胺和氨基金属-氢化物复合物的反应性差异，表明在极性不饱和C=O键的反应中，金属辅助氢化物转移比经典的质子辅助氢化物转移过程更有效。
3、为了进一步了解HMn-NH和HMn-NLi配合物的不同反应性，进行了DFT研究以阐明化学计量反应的机制。从HMn-NH配合物[Mn]-1到酮1a的氢转移以逐步方式发生（图4a）。
4、DFT研究清楚地表明，HMn-NLi络合物[Mn]-2反应的较低的总活化自由能可归因于热力学稳定的络合物Int4的形成，尽管随后的氢化物转移步骤的自由能垒略高于HMn-NH络合物[Mn]-1 (18.6 kcal mol-1 vs 17.9 kcal mol-1)。相比之下，1a与HMn-NH络合物[Mn]-1的配位作用明显，导致整体活化势垒较高。
1、在化学计量氢化物转移反应中锂锰-氢化物酰胺化物配合物[Mn]-2的高反应性的鼓舞下，本工作试图建立使用[Mn]-2作为活性催化剂的催化加氢反应。因此，本工作比较了[Mn]-1和[Mn]-2在1a加氢中的催化活性。
2、如图5a所示，使用[Mn]-1作为催化剂，在2小时和6小时后，1b的产率分别为39%和94%。尽管在与1a的化学计量氢化物转移反应中，HMn-NLi配合物比相应的HMn-NH配合物更具反应性，但在相同反应条件下使用[Mn]-2作为催化剂时，实现了非常相似的反应性，如图3所示。
3、为了解释化学计量反应和催化氢化的不同结果（图5a），本工作通过DFT计算研究了催化反应的机理，其中涉及H2活化步骤。本工作发现，[Mn]-1成为该反应的实际催化活性物质，尽管HMn-NLi配合物[Mn]-2被用作催化剂前体。这些结果很好地解释了观察到的[Mn]-1和[Mn]-2对酮加氢的相似催化活性。
4、对带有不同取代基的N-烷基取代的醛亚胺进行氢化以进一步评估[Mn]-1和[Mn]-2的催化活性（图6a，b）。如图6b所示，催化剂[Mn]-1的反应性非常低，以低于5%的产率提供所需的胺产物3b-3i。相反，使用[Mn]-2作为催化剂，具有各种N-烷基取代基的底物在相同的反应条件下以定量产率转化为相应的胺3b-3d。如图6e所示，[Mn]-6对催化酮亚胺加氢的活性比[Mn]-7低得多。这些结果再次突出了M/NM'双功能催化加氢反应的优势。
https://www.nature.com/articles/s41557-022-01036-6
