铝氢化物催化羰基硼氢化反应可行性研究：对主流机理范式的挑战与修正

本综述通过严谨的实验验证，对先前提出的铝氢化物（(Nacnac)DippAl(OTf)H）催化羰基化合物硼氢化（Hydroboration）机理提出质疑。研究表明，关键步骤Al─O/B─H复分解（Metathesis）在热力学上不可行，实际催化活性物种源于硼烷（BH3）加合物，而非铝配合物本身。该工作对主族金属催化领域具有重要修正意义。

　　

引言

科学、经济和环境因素共同推动着均相催化过程中贵金属催化剂替代品的开发。在这一领域，基于贱金属催化剂、受阻路易斯酸碱对（FLPs）以及s区和p区金属体系的研究取得了显著进展。尽管首个能在室温下活化氢气的第13族金属化合物直到2005年才被报道，但已有许多体系在还原不饱和底物方面展现出卓越性能。例如，Jones及其同事报道的一种锡酰胺催化剂，其催化酮类硼氢化的转换频率（>13,300 h^?1）可与过渡金属体系相媲美。

作者先前的研究表明，镓β-二酮亚胺（‘Nacnac’）配合物也能催化含羰基底物（包括二氧化碳）的还原反应。(Nacnac)^DippGa(^tBu)H（化合物1）可实现硼烷（和硅烷）对CO₂的还原，尽管转换频率较低。在该例中，通过独立的化学计量反应，证明了催化循环中两个关键步骤——CO₂插入和Ga─O/B─H复分解——的可行性，这得益于甲酸盐中间体(Nacnac)^DippGa(^tBu)(OCOH)（化合物2）的分离。

考虑到镓和铝的相对成本/地球丰度，研究者开始考虑基于更轻的第13族金属铝的类似过程。然而，在他们尝试将此类化学扩展到铝基催化剂时并未成功。例如，虽然诸如(Nacnac)^DippAl(Et)H（化合物3-Et）的体系能发生CO₂插入极性更强的Al─H键（相较于Ga─H键）的反应，但生成的甲酸盐衍生物（如(Nacnac)^DippAl(Et)(OCOH)）即使在高温度下也坚决不与含B─H的试剂反应，无法实现催化循环。从表面上看，铝和镓体系之间的这些差异与报道的E─H/E─O键强度（E = B, Al, Ga）相符，这些数据暗示Ga─O/B─H复分解在热力学上是有利的（尽管勉强），而Al─O/B─H复分解是高度不利的。

出于此考虑，研究者对一项具有里程碑意义（且被广泛引用）的报道深感好奇，该报道称(Nacnac)^DippAl(OTf)H（化合物3-OTf）可催化苯甲醛和苯乙酮（以及其他羰基化合物）的硼氢化反应，其中提出了一个表面类似的Al─O/B─H复分解过程作为催化循环的关键步骤。在该研究中，据报道，通过苯甲醛插入化合物3-OTf的Al─H键形成的烷氧基中间体(Nacnac)^DippAl(OTf)(OCH₂Ph)（化合物4-OTf），在室温下与频哪醇硼烷（HBpin）反应，再生出化合物3-OTf，并释放出产物PhCH₂OBpin。三氟甲磺酸酯取代基在此化学中明显带来的优势（相较于研究者使用的烷基）促使他们考虑将其用于一系列还原过程。然而，在这项工作过程中，他们不得不重新审视Yang等人先前报道的关于化合物3-OTf催化苯甲醛还原的机理。

结果与讨论

作为研究的起点，研究者首先试图获取关键插入产物(Nacnac)^DippAl(OTf)(OCH₂Ph)（化合物4-OTf）的分离样品，以探究其作为通过Scheme 1b所示路线形成PhCH₂OBpin的中间体的化学能力。与Yang等人的报道一致，他们发现化合物3-OTf与苯甲醛的反应导致化合物4-OTf的快速形成，反应在室温下在获取NMR谱图之前就已完成（即<5分钟）。在没有先前报道的表征数据的情况下，他们随后试图获得该材料的均质样品以识别其光谱特征。化合物4-OTf可以从戊烷溶液中结晶出来，并通过标准光谱/分析技术以及单晶X射线衍射进行表征。此外，可以证明这种插入过程更广泛的范围：苯甲醛也会插入相应的(Nacnac)^DippAl(X)H（化合物3-Cl: X = Cl; 化合物3-Et: X = Et）的Al─H键中， albeit at significantly slower rates (ca. 1 and 4 h, respectively, for 50% conversion, cf. <5 min for 化合物4-OTf) to generate the alkoxides (Nacnac)^DippAl(X)(OCH₂Ph), 化合物4-Cl and 化合物4-Et。在结构上，化合物4-OTf、4-Cl和4-Et非常相似，具有近乎相同的Al–N距离和N–Al–N角度，尽管与OCH₂Ph基团相关的Al–O距离在化合物4-OTf的情况下更短（1.677(1) vs 1.704(1) and 1.720(1) ?），这与预期更亲电的铝中心具有更强的Al─O键一致。

获得结构认证的化合物4-OTf样品后，研究者试图检查此及相关体系对B─H键的反应性。然而，他们发现，并非如原始催化剂运行所定义的1小时内在“室温下的C₆D₆中”发生反应，而是在此类条件下即使经过14天，化合物4-OTf/HBpin向化合物3-OTf和PhCH₂OBpin的转化也根本没有发生。据报道，苯甲醛与HBpin的催化硼氢化在室温下进行，这一发现使他们质疑化合物4-OTf与HBpin的反应是否确实是该过程中可行的机理步骤。他们还希望测试Al─O/B─H复分解过程对于更广泛的相关β-二酮亚胺稳定体系的可行性。因此，在可比条件下检查了化合物4-OTf对更具反应性的硼烷{H(9-BBN)}₂的反应性，以及化合物4-Cl和4-Et（加上Masuda及其同事先前报道的相关化合物(Nacnac)^DippAl(H)(OCH₂Ph)和(Nacnac)^DippAl(OCH₂Ph)₂）对HBpin的反应性。在所有这些情况下，无论是在室温下还是在60°C下经过5天，都没有观察到任何明显的向相应含Al─H化合物的转化。这一发现与他们先前对β-二酮亚胺稳定的铝甲酸盐化合物的研究一致，这些化合物也与硼烷不发生Al─O/B─H复分解。然而，有趣的是，他们发现相关的镓烷配合物(Nacnac)^DippGa(H)(OCH₂Ph)（在(Nacnac)^DippGaH₂与苯甲醛的可比（但慢得多）反应中形成）会立即与HBpin反应，生成PhCH₂OBpin并重新形成镓二氢化物。

假设铝烷化合物4-OTf对HBpin缺乏反应性可能是由于在他们所采用的条件下存在禁止的动力学势垒，或更根本的热力学因素，他们决定检查反向反应的可行性（Scheme 3）。因此，他们独立地从苄醇和HBpin合成了烷氧基硼烷PhCH₂OBpin，并在催化反应采用的条件下（C₆D₆，室温）检查了其对(Nacnac)^DippAl(H)(OTf)（化合物3-OTf）的反应性。提供信息的是，该反应自发进行，在室温下约4小时内定量生成化合物4-OTf和HBpin。如此，不仅他们的实验找不到Scheme 1b中提出的关键Al─O/B─H复分解步骤的任何证据，而且发现其潜在的热力学基础在与催化运行可比的条件（温度和溶剂）下是不利的。反向B─O/Al─H复分解被发现对更广泛的例子是自发的，这一点可以通过化合物3-Et、3-Cl或3-H与PhCH₂OBpin的反应也在室温下进行，分别生成化合物4-Et、4-Cl和4-H来证明。

既然已经表明化合物4-OTf（及相关体系）不与HBpin反应，他们想知道周转是否可能通过涉及与第二当量苯甲醛反应的替代 onward 步骤来实现。因此，他们在没有HBpin的情况下，在C₆D₆中研究了化合物3-OTf与大量过量苯甲醛（约50当量）的反应。通过原位NMR监测可以表明，该反应生成了苯甲酸苄酯PhC(O)OCH₂Ph作为主要产物。该反应代表了众所周知的Tishchenko反应的Nacnac支持变体，通过该反应，醛类在铝烷氧化物催化下转化为酯。确实，发现化合物4-OTf和4-Et都能以2 mol%的负载量催化苯甲醛向苯甲酸苄酯的转化，尽管转换频率有所不同（且并不令人印象深刻）（分别为2.1和0.1 h^?1）。鉴于Tishchenko反应的机理以类似于经典变体的方式进行（Scheme 4），预期化合物4-OTf与PhCHO的初始反应将生成(Nacnac)^DippAl(OTf)(OCH(Ph)OCH₂Ph)（化合物5-OTf）。他们因此尝试独立生成该物种，以测试其对HBpin的潜在反应性。然而，化合物4-OTf与一当量苯甲醛的反应简单地生成了苯甲酸苄酯（消耗了50%的化合物4-OTf），而尝试用化合物3-OTf（以约1:1的比例）对PhC(O)OCH₂Ph进行氢铝化仅得到化合物4-OTf（一半的酯未反应）。这些数据说明了在此类条件下化合物5-OTf的不稳定性。尽管如此，在HBpin存在下进行这些反应没有产生任何PhCH₂OBpin的痕迹，这意味着在任何情况下化合物5-OTf都与Yang等人报道的化学无关。

鉴于化合物4-OTf作为将PhCHO转化为PhCH₂OBpin的催化中间体缺乏能力，他们考虑了可能实现这种硼氢化化学的替代途径。最初他们打算在类似于Yang等人报道的条件下重新检查苯甲醛与HBpin的催化反应。然而，在他们手中，商业来源的HBpin与苯甲醛之间发生的背景（未催化）反应是显著的，并且强烈依赖于两种化合物的纯度。他们意识到商业来源的HBpin可能含有BH₃衍生的杂质，这些杂质可以催化硼氢化化学；他们收到的HBpin（Aldrich）在¹¹B NMR谱中在δ_B = ?13.6 ppm处有一个四重峰信号，与此类物种一致。因此，他们采用了一种使用PPh₃的纯化方案，生成Ph₃P·BH₃，然后可以通过蒸馏从中分离出HBpin（单独蒸馏不能完全去除该杂质）。虽然该方案确实去除了含BH₃的杂质，但纯化的HBpin和新蒸馏的PhCHO在以原始研究中使用的（相对较高）浓度（在1 mL C₆D₆中各2 mmol）混合时，并非以报道的“痕量”进行反应，而是在1小时内发生约30%的转化。因此——无论是对于当前研究还是更广泛地——HBpin与苯甲醛的反应显然不是催化活性的良好探针。考虑到这一点，他们研究了Yang等人调查的其他底物。

酮类的硼氢化通常不如醛类容易，Yang等人也使用化合物3-OTf作为催化剂研究了苯乙酮PhCOMe的反应（据报道在苯中，室温下6小时，2 mol%催化剂负载下转化率为51%）。他们首先检查了对照反应，发现在试剂浓度与Yang等人使用的完全相同的情况下，使用商业HBpin但无铝催化剂时转化率非常相似（200分钟内约60%转化）。另一方面，使用预先用PPh₃清洗过的HBpin，他们在相同时间范围内基本上看不到转化。总的来说，这似乎向他们表明苯乙酮是硼氢化催化更好的测试底物，因为观察到很少的背景转化。使用这种纯化的HBpin，他们然后检查了由化合物3-OTf催化的与苯乙酮的反应（2 mol%催化剂负载；HBpin和PhCOMe的浓度如Yang等人所述）。令人惊讶的是，他们在200分钟内检测到向PhC(Me)(H)OBpin的转化非常低（<< 5%），与先前报道的行为形成鲜明对比。

这一发现使他们假设Yang等人工作中真正的催化剂性质实际上是一种BH₃加合物，正如Thomas及其同事巧妙揭示的许多体系那样。商业来源的HBpin可能含有不同量的BH₃加合物杂质，并且Yang等人研究中使用的纯化HBpin的方案（如果有的话）在论文或支持信息中没有描述。此外，考虑到Bakewell等人的报道，即(Nacnac)^DippAlH₂（即化合物3-H）会使HBpin降解生成(Nacnac)^{DippAl(pin)，他们在可比条件下检查了HBpin与化合物3-OTf、4-OTf及相关配合物的相互作用。他们希望探索由BH₃加合物催化的催化作用是否不仅源于使用不纯的HBpin，而且还源于由反应混合物中可能存在的铝物种作用引起的HBpin降解。}

虽然他们先前已经证明化合物3-OTf与{H(9-BBN)}₂可逆地反应生成相应的二烷基硼氢化物配合物(Nacnac)^DippAl(OTf){H₂(9-BBN)}，但无法获得化合物3-OTf与HBpin形成类似硼氢化物类型物种的令人信服的证据（无论是实验还是计算）——这与后者较弱的路易斯酸性一致。然而，将干净的HBpin长时间暴露于化合物3-H（如Bakewell所报道），或暴露于化合物3-OTf或4-OTf，会导致BH₃含物种的形成，如结构和光谱研究所判断。因此，在他们手中，(Nacnac)^DippAlH₂（化合物3-H）在伪催化条件下（50–100当量的硼烷，C₆D₆，室温）与HBpin反应，在大约30分钟内生成先前报道的物种(Nacnac)^DippAl(pin)， together with a BH₃ adduct which gives rise to a signal (at δ_B = ?13.6 ppm) identical to that found as an impurity in commercial HBpin。随后向反应混合物中加入PPh₃会生成Ph₃P·BH₃的诊断性双峰¹¹B{¹H} NMR信号（在δ_B = ?38.1 ppm; ¹J_B–P = 50 Hz)）。在延长反应时间（12小时）时也会生成(Nacnac)^DippAl(BH₄)₂（δ_B = ?37.0 ppm），这是一种先前由Harder及其同事报道的化合物，他们从(Nacnac)^DippAlH₂和Me₂S·BH₃独立合成了该化合物，并通过X射线晶体学进行了结构认证。该物种 presumably arises from partial sequestration of the generated BH₃ species by 化合物3-H。

化合物3-OTf在类似条件下也与HBpin反应，生成相同的BH₃加合物（在δ_B = ?13.6 ppm）和一种硼氢化物物种（δ_B = ?43.5 ppm），他们根据其¹¹B化学位移与其它类型为(Nacnac)^DippAl(X)(BH₄)的物种的相似性，推测其为(Nacnac)^DippAl(OTf)(BH₄)。一个具有相同¹¹B NMR共振的物种是在化合物3-OTf与BH₃·SMe₂的独立反应中生成的，尽管在这种情况下很难将该化合物作为纯物种分离出来。两个信号在反应5分钟后都很明显（尽管很弱），并在16小时内持续增长。化合物4-OTf在伪催化条件下也从HBpin生成相同的BH₃加合物，诊断性的¹¹B NMR共振在δ_B = ?13.6 ppm，在10分钟后就很明显，并在5天内持续增强。有趣的是，在这种情况下，第二个¹¹B NMR信号同时增长，其化学位移是B₂pin₃的诊断性位移（δ_B = 22.0 ppm），他们推测化合物4-OTf促进了一种再分配反应，将HBpin转化为BH₃和B₂pin₃，其方式类似于Baker、Marder及其同事在HBcat方面所做的著名工作。

最后，可以明确证明这些HBpin降解途径可能导致催化活性物种的生成。将苯乙酮、干净的HBpin和化合物3-OTf以1:1:0.02的比例混合，在4小时内不会生成任何PhC(H)MeOBpin（通过原位¹H NMR监测确定），但在12小时后导致13%的转化（6.5次转换）。这个转化时间框架与化合物3-OTf将HBpin降解为含BH₃物种相关的诱导期一致。

结论

由(Nacnac)^DippAl(OTf)H催化的醛和酮与频哪醇硼烷（HBpin）的硼氢化反应，首次报道于2015年，代表了主族化合物均相催化发展中被高度引用的里程碑。然而，他们在此表明：i) 最初为该过程提出的涉及在关键中间体(Nacnac)^DippAl(OTf)(OCH₂Ph)处通过Al─O/B─H复分解进行转换的机理并未发生——并且事实上在热力学上仅在反向是可行的；ii) 使用仔细预纯化的HBpin，由(Nacnac)^DippAl(OTf)H“催化”的与苯乙酮的反应实际上在最初报道的时间范围内（对比51%的表观转化率）没有显示出向PhC(Me)(H)OBpin的转化；iii) 催化中的活性物种是一种BH₃加合物，它源于使用不纯的HBpin，或源于反应混合物中存在的铝物种作用引起的HBpin降解。更广泛地说，他们相信这项研究 i) 对铝配合物催化羰基硼氢化报道中真实催化剂物种的性质提出了质疑；ii) 提供了进一步证据，表明HBpin与苯甲醛的反应不是催化活性的良好探针，因为背景反应速率显著。

实验部分

关键化合物的合成和表征数据，以及代表性谱图、时间曲线和晶体学研究细节包含在支持信息中。

支持信息

作者在支持信息中引用了一篇额外的参考文献。

致谢

感谢Leverhulme Trust（RP-2018-246；为AEC, JH提供博士后奖学金）；EPSRC未来制造无机化学博士培训中心（OxICFM, EP/S023828/1；为AM, JJCS提供学生奖学金）；EPSRC（EP/K014714/1，为MAF提供博士后奖学金）和欧盟FP7 Marie Sk?odowska-Curie行动（PIEF-GA-2013-626441，为EK提供博士后奖学金）。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。