一種氮雜環卡賓銥配合物催化還原胺化反應及其機理研究

王 洋， 姚子健

（上海應用技術大學 化學與環境工程學院, 上海 201418）

胺類化合物廣泛應用于醫藥、農藥、橡膠、表面活性劑等領域，是一類生產生活中重要的化合物[1]。其中，還原胺化反應是一種重要的合成方法。但是傳統的方法常加入化學計量的NaBH3CN、NaBH(OAc)3作為還原劑，會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中環境污染的問題是一個極其重要的課題。

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

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

圖2 2種異構體之間的轉化Fig. 2 Transformation between two isomers

隨后作者研究了這種配合物對還原胺化反應的催化性能。其中，在氫氣直接還原的反應過程中，在1.013 25×105Pa（1 atm）氫氣、45 ℃、0.1%KPF6、1%配合物5 h的條件下，反應在甲苯、甲醇、異丙醇、二氯甲烷，二甲基亞砜中均以優秀收率得到目標產物。而反應在以水為溶劑的體系中，反應收率僅為30%。該反應還可以通過轉移氫化過程實現還原胺化反應。在以異丙醇作氫源的反應中，反應在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中，由于亞胺的水解，該反應僅在異丙醇為溶劑的體系中得到目標產物，產率為85%。為避免亞胺的水解，之后的反應中使用了甲酸/三乙胺為5/2的混合物作為氫源。由于副產物的生成（見圖3），后續的反應在亞胺生成后再加入甲酸/三乙胺的混合物。一系列的結果表明，該反應可在35 ℃，0.2%配合物1 h的條件下在達到100%的收率，且溶劑的選擇對反應沒有明顯影響。作者使用甲酸/三乙胺混合物作為氫源的條件，篩選了反應底物的范圍。研究表明，芳香醛與芐胺、芳香胺的反應均可得到90%以上收率，而與脂肪胺的反應收率則在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亞胺的反應。結果表明，該配合物在不同苯并氮雜環亞胺的還原過程中表現出優異的性能，產率均達到95%以上。

圖3 底物和甲酸同時加入的副產物Fig. 3 Side product when substrates and formic acid are added together

為了探究反應機理，作者推測了反應可能發生的不同路徑，并通過密度泛函理論計算，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比，作者得出了一個合理的反應過程（見圖4）。催化加氫過程遵循外層反應循環機理：金屬中心和內酰胺與一分子氫發生加氫，形成中間體3，隨后與一分子亞胺結合，在配體與中心金屬原子的協同作用下完成氫轉移過程；隨后得到化合物8，完成亞胺的還原。在以甲酸為氫源的轉移催化體系中，配合物與甲酸通過離子對機理的過程形成中間體6，之后氫負離子轉移至亞胺底物上，得到化合物8。

圖4 催化機理Fig. 4 Reaction mechanism

該反應同樣可以在無金屬催化的條件下完成。為了體現金屬配合物在該反應中的作用，作者還計算了無金屬催化過程中吉布斯自由能的變化。如圖5所示，該反應在無金屬催化的過程中的能量跨度達到了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的能壘，從而提高反應的效率。

圖5 無金屬催化氫化過程中相對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卡賓銥配合物。這種配合物能夠在溫和條件下快速實現亞胺到胺的轉化。之后作者提出了反應在不同條件下的機理并且得到了理論計算結果的支持。配合物中的質子響應單元可以通過質子的得失完成2種互變異構的轉化，這種配體在脫氫過程中的應用同樣也值得期待。