通过底物辅助途径，由双胍基镁酰胺催化的腈类和异氰酸酯的氢硼化反应

《Organic Chemistry Frontiers》：Bis-guanidinate magnesium amide-catalyzed hydroboration of nitriles and isocyanides via a substrate-assisted pathway

双胍基镁酰胺催化硝基和异氰酸酯的氢硼化反应，通过底物辅助路径实现高产率，并首次分离表征了活性中间体Mg-2和Mg-3。提出镁-硝基/异氰酸酯配位加成及硼氢转移的催化循环机制，为镁催化氢键形成反应提供新策略。

　　在有机合成化学中，硝基化合物（R–C≡N）和异氰化物（R–N=C–R'）的还原反应具有重要的应用价值。这些反应能够高效地将硝基化合物转化为伯胺，而将异氰化物转化为仲胺，广泛应用于农用化学品、药物合成、染料和相关工业领域。传统的硝基化合物还原方法通常依赖于金属氢化物，但这些方法可能伴随着安全隐患、成本高昂和选择性不足等缺点。而异氰化物的还原则常常需要高压和高反应条件，进一步限制了其在实际应用中的可行性。因此，开发一种更加高效、环保且选择性更高的催化方法成为研究的热点。

近年来，金属催化的硼氢化反应在有机合成中展现出显著优势。相较于传统方法，其不仅能够提供更高的选择性，还能在较为温和的条件下完成反应，同时减少副产物的生成，符合绿色化学的发展趋势。尽管已有大量关于过渡金属、主族金属以及稀土金属催化硝基和异氰化物硼氢化反应的研究，但针对镁金属催化这一过程的报道仍较为有限。这为镁基催化剂的设计与应用提供了新的研究方向。

本研究中，我们首次引入了一种双胍基镁（II）酰胺化合物 [LMgN(SiMe?)?]（Mg-1），并将其作为硝基化合物的预催化剂以及异氰化物的催化剂。通过实验，我们成功实现了多种硝基化合物和异氰化物的双氢化反应，得到了高产率的N,N-双（硼基）胺和N,C-双（硼基）胺产物。这些反应不仅展示了镁催化剂在这一领域的潜力，还揭示了新的反应路径——即通过底物辅助的反应机制进行。

为了验证反应机制，我们分离并表征了两种关键的活性物种：Mg-2（即LMg-N(SiMe?)?·3-Me-C?H?CN）和Mg-3（即LMg-N(SiMe?)?·2,6-Me?-C?H?NC）。通过多种核磁共振（NMR）技术和单晶X射线衍射分析，我们获得了这些中间体的详细结构信息。这些研究不仅确认了镁催化剂在反应中的关键作用，还为理解其反应机理提供了重要依据。

Mg-1在硝基化合物的双氢化反应中表现出优异的催化性能。在没有催化剂的情况下，即使在80 °C下反应24小时，也未观察到任何转化。然而，当使用5 mol%的Mg-1作为催化剂时，反应在相同条件下实现了接近100%的转化率，生成了目标产物N,N-双（硼基）胺（2c）。通过进一步优化反应条件，我们发现使用1 mol%的Mg-1在60 °C下反应12小时即可实现完全转化。值得注意的是，当催化剂用量减少时，反应速率显著下降，表明催化剂在反应中起到了关键的活化作用。同时，我们还发现，在不同溶剂条件下，如使用氘代苯（C?D?）时，反应的转化率进一步提高，达到99%以上。

在异氰化物的双氢化反应中，Mg-1同样表现出优异的催化性能。当使用10 mol%的Mg-1时，反应在80 °C下仅需24小时即可实现接近100%的转化率，生成N,C-双（硼基）胺（4a）。通过减少催化剂用量至6 mol%，反应时间缩短至12小时，仍能实现完全转化。而使用另一种镁双（三甲基硅基）酰胺[Mg{N(SiMe?)?}]?作为催化剂时，转化率仅为30%，这说明Mg-1在催化效率上优于其他镁基催化剂。此外，我们还发现，当反应物浓度变化时，反应速率也呈现出一定的规律性，这进一步支持了反应可能遵循的底物辅助机制。

在机理研究方面，我们通过一系列计量反应和动力学实验，揭示了反应的基本路径。在1:1的计量反应中，Mg-1与硝基化合物反应生成了活性中间体Mg-2，而Mg-2与氢化硼试剂（HBpin）反应生成了一个短寿命的镁酰胺中间体（Int-1'）。随后，该中间体与另一分子的氢化硼试剂反应，生成最终的N,N-双（硼基）胺（2c），并再生Mg-2，从而完成催化循环。类似的机制也适用于异氰化物的双氢化反应，其中Mg-1与异氰化物反应生成Mg-3，再与两当量的HBpin反应生成N,C-双（硼基）胺（4a），并再生Mg-1，实现催化循环。

通过动力学实验，我们进一步验证了反应机制。在不同反应物浓度下，我们观察到反应速率的变化。当硝基化合物浓度较低时，反应表现出零级动力学，表明反应速率主要由催化剂的活性决定。然而，当硝基化合物浓度增加时，反应速率反而下降，这可能是由于催化剂活性位点的饱和导致氢化硼试剂难以接近。此外，我们还发现，氢化硼试剂在低浓度时反应速率随其浓度线性增加，但在高浓度时反应速率趋于稳定，表现出类似米氏方程的特征。这一结果支持了反应中催化剂与底物形成中间体的假设。

值得注意的是，某些电子供体或电子受体取代的硝基化合物在反应中表现出不同的速率，这可能与底物的电子性质有关。例如，电子受体取代的硝基化合物（如2,4-二氟苯甲腈）在反应初期表现出较低的速率，这可能是因为其较强的电子吸引力降低了与催化剂的配位能力。而电子供体取代的硝基化合物（如间甲基苯甲腈）则表现出较快的反应速率，表明其更易与催化剂发生反应。

通过上述研究，我们不仅验证了Mg-1在硝基和异氰化物双氢化反应中的催化活性，还揭示了其在反应中可能遵循的底物辅助机制。这种机制在主族金属催化中具有重要意义，为设计新型催化剂提供了理论依据。此外，我们还成功分离并表征了关键的中间体，如Mg-2和Mg-3，这些中间体的结构信息为理解反应过程提供了重要的实验支持。

综上所述，本研究成功开发了一种新型的双胍基镁（II）酰胺催化剂，该催化剂不仅能够高效催化硝基和异氰化物的双氢化反应，还为探索主族金属催化的底物辅助反应路径提供了新的视角。这一成果有望在有机合成领域中发挥重要作用，推动更环保、更高效的催化反应技术的发展。