Nature Chem（亮点）：通过分离关键中间体研究反应机理

纳米技术

2022-10-05

Noyori催化剂通常与无机碱配合用于均相催化加氢反应，但是人们未曾在实验中分离反应的中间体。

近日，清华大学刘强、郑州大学/重庆大学蓝宇等报道通过实验结合理论计算，验证了人们长期推测存在的中间体物种。

由于该项研究具有的重要意义，薛定谔公司（Schrödinger Inc.）Pavel A. Dub对该研究进行总结和点评。

本文要点：

（1）

加氢反应是在催化剂作用，H₂分子与元素/分子/材料之间的化学反应。该反应过程通常是H₂分子与多重化学键（比如C=O、C=N）之间的加成反应；当与有机酯进行反应，与H₂的反应通常导致切断酯分子，这种反应过程通常被成为氢解反应。加氢反应是目前催化价值最大的一种反应方式，该反应具有较高的实际应用价值，发展加氢反应同样具有非常重要的意义，并且分别在1912年Sabatier通过发展的异相加氢反应获得Nobel化学奖，2001年Knowles和Noyori通过发展均相加氢反应获得Nobel化学奖。

（2）

自从Noyori催化剂概念被发展和应用以来，人们在大量的实验中发现碱金属烷氧化物ROM′通常能够起到加快加氢反应速率，并且将这种加速作用归结于ROM′通过与Noyori催化剂形成碱金属酰亚胺分子的方式修饰催化剂。最初人们在Noyori BINAP/二胺-Ru催化剂进行NMR表征和动力学实验，推测这种碱金属酰亚胺结构存在。而且计算模拟结果支持这种酰亚胺物种存在的合理性。但是，虽然经历了长达20多年的机理研究，人们仍无法分离得到这种Noyori碱金属酰亚胺中间体。研究这种中间体物种的合成、反应性、催化活性将非常好的弥补催化反应机理缺失的一环，同时能够证实理论计算结果。

（3）

作者在最近发表的工作中，展示了Noyori-锂金属酰亚胺中间体物种的合成、表征、反应性。通过^tBuOK与[{κ³-NH(CH₂CH₂PiPr₂)₂}Mn(CO)₂H]在甲苯中进行反应，得到Mn的酰亚胺中间体。通过原位NMR表征，发现反应过程仅仅导致H-N-Mn-H的一部分构象从顺式变为反式，而且顺式/反式异构体的比例与加入的^tBuOK量无关，说明顺式/反式异构体之间的快速相互转变。理论计算结果显示，催化反应过程通过钾金属酰亚胺中间体过程进行，但是因为这种中间体的溶液浓度非常低，难以通过溶液相NMR表征以及分离。

随后考察LiCH₂SiMe₃碱，这种碱具有更高的负氢亲和性，当[{κ³-NH(CH₂CH₂PiPr₂)₂}Mn(CO)₂H]与2倍量LiCH₂SiMe₃反应时，发现明显的光谱信号改变，说明形成包含多种中间体的动态变化混合物，但是这种反应仍无法直接分离得到酰亚胺中间体。为了分离得到中间体，作者在己烷溶剂中将LiCH₂SiMe₃、[{κ³-NH(CH₂CH₂PiPr₂)₂}Mn(CO)₂H]与H₂混合反应，分离得到95 %的粗产物。通过在苯溶剂中进行类似反应过程，分离得到晶化状态的固体产物，通过X射线衍射表征分析，发现其中的Mn:Li比例为1:1。

实验动力学研究结果验证Li金属酰亚胺复合物进行负氢转移反应的速率比N-H类似物分子的速率高24倍，实验结果与理论计算的结果一致。总之，本文研究结果验证了Noyori Ru催化剂的催化机理：当反应体系中含有无机碱，N-H能够与N-M′之间进行可逆的交换，而且需要使用大过量的碱才能使得化学平衡朝着非热力学的方向进行移动。这项研究为设计分子催化剂提供经验和指导，比如作者发现新型催化剂HMn-NAl结构比HMn-NLi具有更高的催化活性，作者认为可以预料的是未来能够根据这种原则发展活性更高的M/NM′双功能催化剂。

参考文献

Dub, P.A. Isolating intermediates. Nat. Chem. (2022)

DOI: 10.1038/s41557-022-01051-7

https://www.nature.com/articles/s41557-022-01051-7

Wang, Y., Liu, S., Yang, H. et al. Structure, reactivity and catalytic properties of manganese-hydride amidate complexes. Nat. Chem. (2022)

DOI: 10.1038/s41557-022-01036-6

https://www.nature.com/articles/s41557-022-01036-6