一種氮雜環(huán)卡賓銥配合物催化還原胺化反應(yīng)及其機(jī)理研究

王 洋， 姚子健

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 上海 201418）

胺類化合物廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、橡膠、表面活性劑等領(lǐng)域，是一類生產(chǎn)生活中重要的化合物[1]。其中，還原胺化反應(yīng)是一種重要的合成方法。但是傳統(tǒng)的方法常加入化學(xué)計(jì)量的NaBH3CN、NaBH(OAc)3作為還原劑，會(huì)得到大量有毒有害的廢棄物[2-3]。因此，找到一種理想的催化體系以解決此類反應(yīng)中環(huán)境污染的問題是一個(gè)極其重要的課題。

氮雜環(huán)卡賓由于其優(yōu)異的σ給電子效應(yīng)[4-5]，可以與金屬形成穩(wěn)定的配合物。此外，其便于調(diào)節(jié)的空間位阻和電子效應(yīng)使此類配合物已應(yīng)用于各種反應(yīng)的催化過程中[6-8]。近日，Pendey等[9]合成了一種雙功能氮雜環(huán)卡賓銥配合物（見圖1）。該配合物配體部分含有一個(gè)質(zhì)子響應(yīng)單元，可以在酸/堿的加入下觀察到2種互變異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化（見圖2），該過程通過核磁滴定得到證實(shí)。

圖1 氮雜環(huán)卡賓銥配合物的2種合成方法Fig. 1 Two different synthetic routes of nitrogen heterocyclic carbine iridium complex

圖2 2種異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)化Fig. 2 Transformation between two isomers

隨后作者研究了這種配合物對(duì)還原胺化反應(yīng)的催化性能。其中，在氫氣直接還原的反應(yīng)過程中，在1.013 25×105Pa（1 atm）氫氣、45 ℃、0.1%KPF6、1%配合物5 h的條件下，反應(yīng)在甲苯、甲醇、異丙醇、二氯甲烷，二甲基亞砜中均以優(yōu)秀收率得到目標(biāo)產(chǎn)物。而反應(yīng)在以水為溶劑的體系中，反應(yīng)收率僅為30%。該反應(yīng)還可以通過轉(zhuǎn)移氫化過程實(shí)現(xiàn)還原胺化反應(yīng)。在以異丙醇作氫源的反應(yīng)中，反應(yīng)在75 ℃，0.15%叔丁醇鉀，5%配合物12 h的條件下得到最高收率，為83%。而在甲酸作氫源的反應(yīng)中，由于亞胺的水解，該反應(yīng)僅在異丙醇為溶劑的體系中得到目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)率為85%。為避免亞胺的水解，之后的反應(yīng)中使用了甲酸/三乙胺為5/2的混合物作為氫源。由于副產(chǎn)物的生成（見圖3），后續(xù)的反應(yīng)在亞胺生成后再加入甲酸/三乙胺的混合物。一系列的結(jié)果表明，該反應(yīng)可在35 ℃，0.2%配合物1 h的條件下在達(dá)到100%的收率，且溶劑的選擇對(duì)反應(yīng)沒有明顯影響。作者使用甲酸/三乙胺混合物作為氫源的條件，篩選了反應(yīng)底物的范圍。研究表明，芳香醛與芐胺、芳香胺的反應(yīng)均可得到90%以上收率，而與脂肪胺的反應(yīng)收率則在50%～80%之間。作者以同樣的條件探究了該配合物催化還原氮雜環(huán)亞胺的反應(yīng)。結(jié)果表明，該配合物在不同苯并氮雜環(huán)亞胺的還原過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，產(chǎn)率均達(dá)到95%以上。

圖3 底物和甲酸同時(shí)加入的副產(chǎn)物Fig. 3 Side product when substrates and formic acid are added together

為了探究反應(yīng)機(jī)理，作者推測(cè)了反應(yīng)可能發(fā)生的不同路徑，并通過密度泛函理論計(jì)算，得到每一步中間過程的吉布斯自由能的變化，通過不同的路徑的對(duì)比，作者得出了一個(gè)合理的反應(yīng)過程（見圖4）。催化加氫過程遵循外層反應(yīng)循環(huán)機(jī)理：金屬中心和內(nèi)酰胺與一分子氫發(fā)生加氫，形成中間體3，隨后與一分子亞胺結(jié)合，在配體與中心金屬原子的協(xié)同作用下完成氫轉(zhuǎn)移過程；隨后得到化合物8，完成亞胺的還原。在以甲酸為氫源的轉(zhuǎn)移催化體系中，配合物與甲酸通過離子對(duì)機(jī)理的過程形成中間體6，之后氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移至亞胺底物上，得到化合物8。

圖4 催化機(jī)理Fig. 4 Reaction mechanism

該反應(yīng)同樣可以在無金屬催化的條件下完成。為了體現(xiàn)金屬配合物在該反應(yīng)中的作用，作者還計(jì)算了無金屬催化過程中吉布斯自由能的變化。如圖5所示，該反應(yīng)在無金屬催化的過程中的能量跨度達(dá)到了22.3 kJ/mol。與之相比，在有金屬催化的過程中，能量跨度的最大值僅為18.6 kJ/mol（見圖6）。由此可見，金屬能有效降低反應(yīng)的能壘，從而提高反應(yīng)的效率。

圖5 無金屬催化氫化過程中相對(duì)吉布斯自由能的變化/kJ·mol -1(N-苯亞甲基-1-苯基甲胺為底物，T=30 ℃)Fig. 5 Relative Gibbs free energies of the metal free hydrogenation of N-benzyl- 1-phenylmethanimine/kJ·mol -1 at T=30 ℃

圖6 金屬催化氫化過程中相對(duì)吉布斯自由能的變化/kJ·mol -1 (N-苯亞甲基-1-苯基甲胺為底物，T=30 ℃)Fig. 6 Relative Gibbs free energies of the Ir complex catalyzed hydrogenation of N-benzyl- 1-phenylmethanimine/kJ·mol -1 at T=30 ℃.

總之，Pendey等[9]成功合成了一種雙功能氮雜環(huán)卡賓銥配合物。這種配合物能夠在溫和條件下快速實(shí)現(xiàn)亞胺到胺的轉(zhuǎn)化。之后作者提出了反應(yīng)在不同條件下的機(jī)理并且得到了理論計(jì)算結(jié)果的支持。配合物中的質(zhì)子響應(yīng)單元可以通過質(zhì)子的得失完成2種互變異構(gòu)的轉(zhuǎn)化，這種配體在脫氫過程中的應(yīng)用同樣也值得期待。