双齿NHC–吲哚氮负离子(NHC–indolide, LX型)配体支撑的钌氢化物配合物的合成及其催化烯烃与D2O的H/D交换反应

《Organometallics》：Synthesis of Ruthenium Hydride Complexes Supported by Bidentate NHC–Indolide Ligands and Their Catalytic Activity in H/D Exchange Reactions of Olefins with D2O

　　

研究人员合成了两种由单负离子型NHC–indolide（LX型）配体支撑的新型钌氢化物配合物（ruthenium hydride complexes），并进行了全面表征。所得钌氢化物在烯烃与D2O之间的H/D交换反应中表现出催化活性，可耐受卤素、醚、酯、醇及胺等多种官能团。值得注意的是，该催化剂促进单取代烯烃（RCH=CH2）C=C键上的优先氘代，效果优于1,2-二取代及三取代烯烃。催化反应涉及Ru–H键与D2O之间的H/D交换以及烯烃向Ru–D(H)的可逆插入。研究人员通过与2-乙烯基吡啶反应分离得到插入产物，为该机理设想提供了直接的实验证据。

研究背景与意义

钌氢化物配合物（ruthenium hydride complexes）是有机金属化学中的重要一类，其性质可通过配体修饰进行有效调控。N-杂环卡宾（N-heterocyclic carbene, NHC）因强σ给予性及可调空间/电子效应被广泛用作配体，已有众多含单齿NHC及CNC、PCP等钳形（pincer）多齿NHC配体的钌氢化物被报道，含中性双齿LL型NHC配体（如NHC–NHC、NHC–pyridine、NHC–phosphine）的体系也较为成熟。相比之下，含阴离子供体位点的双齿LX型NHC框架（特别是NHC–indolide配体）支撑的钌氢化物极少被探索，此前相关LX型NHC配合物多局限于NHC–amido或经C–H活化形成的NHC–aryl/alkyl体系。此外，以D₂O为廉价氘源、通过金属催化H/D交换实现烯烃氘代具有重要应用价值。本研究首次将单负离子型双齿NHC–indolide（LX型）配体引入钌化学，合成相应钌氢化物配合物并考察其对烯烃与D₂O的H/D交换催化性能，并与经典催化剂RuHCl(CO)(PPh₃)₃进行对比，探讨螯合单负离子NHC配体对催化行为的影响。该工作发表于《Organometallics》。

主要关键技术方法

研究人员以市售试剂经两步法合成NHC–indolide配体前体（咪唑与7-溴吲哚经Ullmann偶联得7-(1H-咪唑-1-基)-1H-吲哚，再分别与苄基溴/戊基溴季铵化得咪唑鎓盐）；以二异丙基氨基锂（lithium diisopropylamide, LDA）脱质子后与RuHCl(CO)(PPh₃)₃发生配体置换反应合成目标钌氢化物配合物；通过核磁共振（¹H NMR、¹³C{¹H} NMR、³¹P{¹H} NMR）、高分辨电喷雾电离质谱（HR-ESI-MS）、元素分析及单晶X射线衍射进行结构表征；在添加乙酸（HOAc）助催化条件下，以THF为溶剂、80 ℃考察配合物催化各类烯烃与D₂O的H/D交换反应，通过¹H NMR及²D NMR测定氘掺入率；通过配合物与2-乙烯基吡啶反应分离烯烃插入产物验证催化机理关键步骤。

研究结果

Synthesis of Ruthenium Hydride Complexes Supported by NHC–Indolide ligands（NHC–indolide配体支撑的钌氢化物配合物的合成）

研究人员由7-(1H-咪唑-1-基)-1H-吲哚分别与苄基溴和1-溴戊烷反应制得咪唑鎓盐前体4a（C_bz-N型）和4b（C_pen-N型），经LDA脱质子后与RuHCl(CO)(PPh₃)₃反应，得到钌氢化物配合物6 [RuH(C_bz-N)(CO)(PPh₃)₂]和7 [RuH(C_pen-N)(CO)(PPh₃)₂]，均为两种几何异构体的混合物（6中6a∶6b≈1∶2，7中7a∶7b≈0.7∶1）。NMR分析显示两分子PPh₃呈反式排列；根据¹H NMR中Ru–H化学位移（6a δ ?6.06 ppm，Ru–H trans to carbene C；6b δ ?11.68 ppm，Ru–H trans to indolide N），结合对比文献及单晶结构确证：6a和7a为氢化物反式于NHC碳，6b和7b为氢化物反式于吲哚氮。单晶X射线衍射证实6a（CCDC 2524657）和7b（CCDC 2524658）均呈畸变八面体构型，Ru–C(CO)键长在NHC trans位（1.844(5) ?）短于indolide N trans位（1.8665(17) ?），表明NHC的反位影响强于indolide；Ru–N(indolide)键长在H trans to N（2.1820(12) ?）长于H trans to CO（2.113(4) ?），表明氢配体反位影响强于CO。此为罕见含NHC–indolide配体的金属配合物实例。

Catalytic Activity for H/D Exchange Reactions of Alkenes with D₂O（烯烃与D₂O的H/D交换催化活性）

无酸添加时，配合物6或7（5 mol%）催化苯乙烯与13.5当量D₂O在80 ℃反应2 h后H/D交换极微弱，催化活性低于RuHCl(CO)(PPh₃)₃。加入催化量HOAc（3 mol%）后活性显著提升：5 mol% 6 + 3 mol% HOAc条件下，苯乙烯乙烯基质子约72%被氘取代（4 h，80 ℃），配合物7表现相当。³¹P{¹H} NMR显示反应后催化剂未分解、indolide未被质子化。底物拓展表明配合物6可高效催化多种单取代烯烃（芳基、烷基、卤、醚、酯、二甲胺取代苯乙烯及含—OH、—NH₂、—COOH的烯烃）与D₂O的乙烯基H/D交换（多数底物4 h内接近完全氘代），含醛基或吡啶基底物因配位毒化失活，含位阻较大基团反应偏慢；1-丁烯-3-苯基发生氘代伴异构化。配合物6对末端C=C键（RCH=CH₂）氘代有明显选择性，高于1,2-二取代及三取代内部双键——如含末端与内部双键的1-乙烯基-4-[(1E)-2-苯基乙烯基]苯及橙花叔醇（nerolidol）中仅末端双键被氘代。复杂天然产物类似物（sclareol、forskolin）末端乙烯基亦可被选择性氘代（>70%），forskolin还观察到烯醇化介导的亚甲基H/D交换。空白对照证实单独HOAc不能催化H/D交换。

Mechanism for the H/D Exchange Reactions（H/D交换反应机理）

研究人员提出机理：HOAc与D₂O预平衡生成DOAc，DOAc与Ru–H经η²-HD中间体发生质子/氘转移得Ru–D配合物；Ru–D解离一分子PPh₃配位η²-烯烃得烯烃配合物，经可逆烯烃插入Ru–D(H)生成烷基钌中间体，C_α–C_β旋转后经β-氢消除释放RCD=CH₂或RCH=CHD并再生五配位Ru–H物种，再结合PPh₃复原催化剂。实验验证：① 无烯烃时，配合物6与D₂O + HOAc发生Ru–H/D交换生成Ru–D（²D NMR确认），无HOAc则不发生，说明酸促进Ru–H/D₂O交换；② 配合物6与苯乙烯常温/60 ℃不反应，但与2-乙烯基吡啶在70 ℃发生烯烃插入生成含1,2-二氢-3-钌并吲哚嗪骨架的产物14（单一异构体，PPh₃trans to Ru–CH₂），NMR表征明确，说明螯合效应使插入热力学有利，为催化循环中可逆烯烃插入提供直接实验证据。配合物6对2-乙烯基吡啶插入活性低于RuHCl(CO)(PPh₃)₃，归因于NHC–indolide配体使PPh₃解离生成五配位活性中间体更困难，与催化活性趋势一致。

结论（Conclusion）部分翻译

NHC–indolide配体前体可由市售试剂两步方便合成。其在THF中用LDA脱质子后与RuHCl(CO)(PPh₃)₃反应得到RuH(C_NHC–N)(CO)(PPh₃)₂，系含双齿NHC–indolide配体金属配合物的罕见实例。这些钌氢化物配合物对烯烃与D₂O的H/D交换反应具有稳健催化活性，表现出末端而非内部双键的选择性氘代。反应适用于烷基及芳基取代烯烃，可耐受卤素、醚、酯、醇、胺甚至羧酸等官能团。催化涉及Ru–H键与D₂O间的H/D交换及烯烃向Ru–D(H)的可逆插入；研究人员通过与2-乙烯基吡ridine反应分离到插入产物支持上述机理。结果表明NHC–indolide配体在有机金属化学及催化中具有应用价值。