无金属沸石催化级联卡宾插入-脱氢-亚胺化-异构化反应的多步串联转化研究

研究人员针对金属卡宾催化剂与强氧化剂/碱性氨基的不兼容性问题，开发了脱铝H-USY沸石催化的五步级联反应体系。该金属游离策略实现了卡宾生成/插入、脱氢、亚胺化及异构化的"一锅法"转化，成功合成α-亚胺酯类化合物，为拓展卡宾化学与氧化/缩合反应的协同应用提供了新范式。

　　

在合成化学领域，卡宾介导的反应因其能高效活化惰性Csp³键而备受关注。然而传统金属催化剂（如Rh、Cu等）存在明显局限：这些低价态金属易被强氧化剂破坏，且难以兼容碱性氨基基团。这一矛盾严重限制了卡宾化学与氧化/缩合反应的协同应用。针对这一挑战，Miguel Espinosa和Antonio Leyva-Pérez团队创新性地利用脱铝H-USY沸石的Br?nsted酸性位点，实现了无需金属参与的五步级联反应，相关成果发表在《Cell Reports Physical Science》。

研究团队采用脱铝H-USY沸石（Si/Al=15）作为固体酸催化剂，通过²⁷Al固态核磁共振等技术确认了骨架铝的保留。关键实验技术包括：1）同位素标记（¹⁸O）追踪氧原子来源；2）密度泛函理论（DFT）计算反应能垒；3）热过滤实验验证非均相催化特性；4）气相色谱-质谱联用（GC-MS）监测反应进程；5）固体核磁共振（ssNMR）表征活性中间体。

【级联反应开发与优化】

通过系统筛选不同（氢）过氧化物，发现叔丁基过氧化氢（4d）能高效实现卡宾插入O-H键（产率67%）和后续脱氢反应（产率29%）。动力学实验显示反应速率符合v₀ = k_exp[cat]²[1a][4c]方程，证实需两个Br?nsted酸位协同作用。同位素实验（H₂¹⁸O）证实产物氧原子完全来自水而非过氧化物。

【催化剂特性研究】

钠离子交换实验显示催化活性与H⁺含量呈指数关系（图6A），证实酸性位的关键作用。热过滤实验表明移除沸石后反应速率下降5倍，且亚胺化步骤几乎停滞（TOF从284 h^-1降至20 h^-1），证明沸石对卡宾生成和亚胺化均有催化作用。PXRD和²⁷Al ssNMR证实催化剂可循环使用5次仍保持结构稳定。

【反应机理解析】

DFT计算揭示卡宾形成能垒为38.1 kcal/mol（图8），是决速步骤。沸石通过双质子转移将后续O-H插入能垒从40.1 kcal/mol降至2.3 kcal/mol。捕获实验证实生成的是三重态卡宾。值得注意的是，亚胺化反应速率比脱氢快10倍，这种动力学优势可防止醛中间体氧化降解。

【底物适用范围】

12种胺类（包括脂肪胺、苄胺和芳香胺）均能有效参与反应（图5）。以乙基重氮乙酸酯（1b）为底物时，产物会发生独特的亚胺键异构化。但空间位阻大的环己胺会导致酰胺副产物（8a-b）生成。与Rh₂(OAc)₄等金属催化剂相比，沸石体系避免了卡宾二聚等副反应。

该研究突破了传统金属卡宾化学的氧化敏感性限制，首次实现了卡宾反应与过氧化物氧化的级联整合。其重要意义在于：1）开发了Br?nsted酸催化卡宾生成的新模式；2）建立了N=N到N=C的转化新策略；3）为复杂分子构建提供了可回收的绿色催化体系。这种"一锅法"设计不仅避免了中间体分离，还通过水再生实现了催化量使用，展现了沸石材料在多功能串联反应中的独特优势。