金属-配体协同腈活化由催化量弱碱触发

《Organometallics》：Metal–Ligand Cooperative Nitrile Activation Triggered by a Catalytic Amount of Weak Base

　　

腈是化学构件中常见的官能团，然而由于C≡N键的热力学稳定性，其直接转化为多种官能团通常需要苛刻条件。通过金属-配体协同（MLC）实现腈活化已成为一种有力策略，通常涉及使用强碱生成具有脱芳构化钳形配体的活性配合物。本文报道了一种由1,8-萘啶基PNNP配体支撑的单核钌平台，其仅使用催化量的弱碱三乙胺（Et3N）即可通过MLC实现腈活化。实验与计算机理研究联合揭示：机理始于初始的吸能配体去质子化，随后腈配位、分子内亲核进攻，以及所得酮亚胺氮被碱的共轭酸再质子化。此外，研究人员表明双金属类似物经历两个乙腈分子的两次并发金属-配体协同活化事件，形成非对映异构双酮亚胺配合物。

研究背景方面，腈官能团广泛存在于生物活性分子及药物中，也是现代有机合成中转化为酰胺、胺、羧酸、酮和杂环的重要前体。均相催化下腈官能化策略众多，其中钳形配合物因稳健性与可调控性成为有力平台，而金属-配体协同（MLC）是其高反应性的核心特征：金属中心与配体共同参与底物活化与键断裂/形成。以Milstein和Otten组为代表的先驱工作利用脱芳构化吡啶基钳形配合物，借助强亲核亚甲基连接体进攻腈碳形成金属结合酮亚胺配合物，但该过程可逆且依赖化学计量强碱（如KO^tBu、KHMDS）生成脱芳构化态。本文针对吡啶基体系强碱依赖的局限，考察1,8-萘啶基PNNP钌配合物，发现其因连接体酸性增强，可在弱有机碱三乙胺（Et₃N）催化量条件下实现脱芳构化与腈活化，揭示了MLC腈活化的温和新区间。该文发表于《Organometallics》。

主要关键技术方法上，研究人员采用单晶X射线衍射解析配合物1-PF₆与腈活化产物4的固态结构；运用¹H、³¹P{¹H} NMR及¹H–³¹P HMBC相关谱跟踪反应进程与对称性质；通过氘代乙腈（MeCN-d₃）与氘代配合物2-D的同位素标记实验判定酮亚胺NH质子来源；依托密度泛函理论（DFT，BP86-D3BJ/def2-TZVPP//def2-SVP，SMD-MeCN隐式溶剂，298.15 K）计算自由能面并引入底物浓度校正（约1:2600，?4.7 kcal mol^?1）；辅以IR光谱表征N–H及C–D/N–D伸缩振动，以及pK_a计算（DBU参比等键反应法）比较萘啶与吡啶骨架连接体酸性。

研究结果部分，在结果与讨论中，研究人员首先合成并表征单核钌配合物1（η⁶-苯）与2（η⁶-对伞花烃），产率77%与89%，X射线确认1-PF₆为PNNP单口袋配位、η⁶-芳烃与氯占据其余配位点；2的NMR宽化源于对伞花烃旋转异构。在MeCN中纯配合物稳定，但痕量弱碱触发反应，加入10 mol% Et₃N后渐变黄并生成沉淀，NMR显示δ 14.40 ppm宽单峰（C=NH），³¹P共振移至δ 169.4 ppm，确证MLC腈活化生成酮亚胺配合物3/4；单晶结构4显示乙腈原sp碳与配体亚甲基成新C–C键、酮亚胺氮配位于Ru（Ru–N^MeCN 2.0592(14) ?），N3–C11距1.274(2) ?示三键特性丧失，氯阴离子与NH形成强氢键使IR中N–H带移至3000 cm^?1以下。

计算研究小节中，DFT给出路径：Et₃N去质子化A1→A2（+7.9 kcal mol^?1，TS 19.6），氯解离后MeCN配位得A3（11.3），分子内亲核进攻为限速步（A3-TS 21.5）生成酮亚胺基A4（3.9），Et₃NH⁺再质子化得A5（?1.3）；计入MeCN浓度校正后A1-TS成总速控（整体产物?6.0），与室温反应一致；萘啶PNNP连接体pK_a 28.2显著低于吡啶PN的33.2，解释弱碱可行性；Ru结合MeCN的α-pK_a 29.9支持氘代实验中NH质子源自乙腈α-H的交换假设。

双乙腈活化小节中，PNNP可双脱芳构化，RuCl₂(DMSO)₄或Ru₂Cl₄(苯)₂加2当量PNNP、2当量KPF₆、115 °C 36 h得双活化产物混合物（约20:80），NMR示δ 10.63/10.74 ppm双NH、C₂/C_s对称、³¹P单峰δ 150/155 ppm，归为介观（meso）与SS/RR非对映体；DFT予meso稳于SS/RR 2.1–2.3 kcal mol^?1，与溶液比例定性相符，初步X射线支持两MeCN同侧成键。

讨论与结论翻译：腈由1,8-萘啶基PNNP钌配合物活化经由金属-配体协同路径，无需强碱诱导配体去质子化；PNNP亚甲基连接体较高酸性允许弱碱三乙胺在室温平衡中接入脱芳构化态；实验与计算联表明尽管去质子化配合物稳态浓度低，酮亚胺产物放能形成使乙腈活化可行；双金属RuRu配合物可同时活化两腈分子，显露萘啶架构赋能的新反应性。

意义方面，该研究将MLC腈活化从化学计量强碱域拓展至催化量弱碱域，确立配体芳香扩展（1,8-萘啶 vs 吡啶）调控连接体酸度—脱芳构化—底物活化的定量关系，并为扩展钳形配体双位点协同提供结构原型。