镍催化醚类双C–O键活化的脱氧还原交叉偶联反应机理：DFT研究揭示B2pin2的关键作用

本研究通过DFT计算揭示了Ni(dppb)催化醚类脱氧还原交叉偶联的原子经济性机制，阐明B2pin2通过激活第二C–O键使反应化学计量比从2:1优化为1:1，为绿色合成C(sp3)–C(sp3)键提供新策略。

　　

在有机合成领域，构建C–C键始终是核心挑战。传统过渡金属催化（如钯）依赖高活性但昂贵的有机金属试剂，且底物常为有毒卤代烃。镍催化因其成本优势和独特C–O键活化能力备受关注，但醚类分子中双C–O键的同步活化效率低下，导致原子经济性差——每分子醚仅有一半碳骨架被利用，另一半成为废弃物。这一瓶颈严重制约了以丰富醚类为原料的绿色合成路线开发。

针对该难题，研究人员在《Organometallics》发表的工作，通过密度泛函理论（DFT）系统研究了2,2’-氧二亚甲基二萘的脱氧偶联机制。研究发现：在无B₂pin₂时，反应遵循Ni^(I)/Ni^(II)/Ni^(I)/Ni^(II)六步循环（氧化加成-还原-自由基生成-还原-自由基加成-还原消除），需消耗两分子醚生成一分子产物（2:1计量比），能垒达31.0 kcal/mol；而B₂pin₂的加入开辟了平行路径——其与锌簇表面烷氧基（Zn₁₆–OR₁）反应生成烷基自由基，直接与关键中间体R₁–Ni^(I)结合形成R₁–Ni^(II)–R₁，将计量比优化为1:1，竞争性能垒仅31.5 kcal/mol。这一发现完美解释了Shi和 Cao实验中B₂pin₂使产率从17%跃升至75%的现象。

研究采用PBE-D3泛函进行DFT计算，使用SDD基组处理Ni原子，LANL2DZ基组模拟Zn₁₆/Zn₃₂簇，6-31G(d,p)基组描述其他原子。通过CPCM模型评估THF/甲苯溶剂效应，结合能量跨度模型分析动力学可行性。

结果与讨论

1. 预催化步骤：NiBr₂(dppb)被Zn₁₆还原时，Ni^(I)(dppb)Br比Ni⁽⁰⁾(dppb)稳定16.4 kcal/mol（THF中），但Ni⁽⁰⁾物种仍因更低氧化加成能垒（26.7 vs 33.0 kcal/mol）成为活性催化剂。
2. 无B₂pin₂机制：速率决定步骤为Ni^(I)中间体与第二醚分子通过TS2（ΔG^?=31.0 kcal/mol）生成自由基，锌簇表面累积Zn₁₆–OCH₂Nap导致原子经济性低下。
3. B₂pin₂协同机制：B₂pin₂与Zn₁₆–OCH₂Nap经TS5（ΔG^?=6.2 kcal/mol）快速产生•CH₂Nap自由基，其与R₁–Ni^(I)的加成能垒仅7.3 kcal/mol，实现双C–O键全利用。

结论
该研究首次阐明B₂pin₂在镍催化醚类脱氧中的双重角色：既作为氧受体，又通过激活第二C–O键将反应计量比优化至1:1。提出的Ni^(I)/Ni^(II)coop.B₂pin₂循环为设计高原子经济性C–C偶联反应提供了理论框架，对开发以醚类等廉价底物的绿色合成路线具有重要指导意义。