高自旋的低价铬室温催化断裂惰性的芳基碳-氮键

在元素周期表中，铬元素位于第四周期第六族，是地壳中含量最为丰富的十种元素之一。值得注意的是，虽然六价态的铬盐具有一定的毒性，但低价态的二氯化铬与环境友好的二价铁盐类似，具有廉价与无毒的特点。以这类低价易得的铬盐为催化剂前体、探索金属铬独特的反应活性、开发新型的铬催化合成反应体系来制备功能化合物具有重要的科学研究意义。有机合成反应大多通过化学键的断裂与重构方式来制备新化合物，因此研究化学键的断裂与重组能为设计和开发新型的有机合成反应提供指导。碳-氮键是有机化学和生物化学中最常见的化学键之一，通常具有较高的化学键离解能。特别是，相较于其它惰性化学键而言，电中性苯胺类化合物的碳-氮键易通过氮上孤电子对与过渡金属配位，形成稳态络合物，使得过渡金属断裂与催化转化这类惰性化学键极具挑战性。目前仅日本的Kakiuchi教授和Chatani教授分别发现钌和镍络合物对断裂苯胺的碳-氮键表现出优异的反应活性，但需要在苛刻的条件如高温下才能顺利进行。

四川大学化学学院的曾小明（点击查看介绍）课题组最近致力于以廉价简单的铬盐为前体，开发低价态的铬催化合成化学新策略。在前期研究低价铬催化惰性碳-氧和碳-氢键的区域选择性功能转化基础上（JACS, 2015, 137, 14367; Organometallics, 2016, 35, 747; Synlett, 2017, 28, 2577），他们认为在格氏试剂的双电子还原作用下，二价的铬盐原位被还原为零价态金属铬物种；通过邻位亚胺基团的螯合协助作用，低价铬易于与胺基配位，进而与碳-氮键发生氧化加成断裂并实现这类惰性化学键的Kumada偶联转化。在无外加配体的条件下，他们发现以催化剂量的二氯化铬就能实现催化断裂惰性碳-氮键，使其与格氏试剂发生交叉偶联反应，室温合成邻芳基或烷基取代的苯甲醛衍生物。该铬催化的合成策略表现出高度的区域与化学选择性，仅邻位碳-氮键被选择性地断裂与功能转化，能有效地保留苯环其它区域的碳-氮和碳-氧键，反应体系兼容氟、氯、酰胺和酯等官能团。机理实验表明在格氏试剂作用下，二价态铬盐通过双电子还原生成具有催化活性的零价铬，继而实现了碳-氮键的断裂与功能转化；动力学实验结果说明该反应的初始速率与苯胺底物的浓度存在逆一级反应速率关系，暗示在催化循环外底物有可能与低价铬物种形成了稳态、非活性的络合物中间体；Hammett曲线研究结果表明处于缺电芳环上的碳-氮键更容易发生断裂与偶联转化。

在中国科学院化学研究所陈辉（点击查看介绍）课题组的理论计算支持下，对该反应进行的路径与低价铬活化碳-氮键的模式进行了探讨。计算结果表明零价铬以高自旋的五重态与亚胺和二甲胺基分别形成π和σ型配位形成的络合物具有较低的吉布斯自由能，它与碳-氮键发生氧化加成克服了较低的反应能垒，进一步与格氏试剂通过转金属化和还原消除反应生成碳-碳键。相反地，格氏试剂与碳-氮键的直接亲核取代反应则需要克服更高的能垒。通过对过渡态络合物进行轨道分析，揭示出低价铬与碳-氮键的碳、氮及两个四氢呋喃分子的氧原子采取共平面配位的形式，高自旋的五重态铬唯一的一对d 电子位于d_xy 轨道上，通过其与碳-氮键的反馈σ轨道及氮上孤对n电子与零价铬的相互作用来活化并断裂碳-氮键。

低价铬对于活化与催化断裂惰性碳-氮键的独特反应性能预示它在有机合成化学领域具有一定的应用前景。这些研究结果近期发表在Journal of the American Chemical Society，文章的共同第一作者分别为从雪丰、凡飞和马鹏琛，通讯作者为曾小明和陈辉。

该论文作者为：Xuefeng Cong, Fei Fan, Pengchen Ma, Meiming Luo, Hui Chen, Xiaoming Zeng

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Low-Valent, High-Spin Chromium-Catalyzed Cleavage of Aromatic Carbon−Nitrogen Bonds at Room Temperature: A Combined Experimental and Theoretical Study

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 15182-15190, DOI: 10.1021/jacs.7b08579

导师介绍

曾小明

http://www.x-mol.com/university/faculty/26913

陈辉

http://www.x-mol.com/university/faculty/15495