Nature：仿生合成的金属硫簇能结合N₂但不能还原？

氮是地球上所有已知生命的基本组成元素，也是大气中含量最多的元素。不过，要将大气中惰性的N₂转化为生物可利用的形式（如氨和氮氧化物）却并非易事，自然界中只有固氮生物或闪电才有这种能力。事实上，生物固氮过程中的关键角色是能将N₂还原为NH₃的固氮酶（nitrogenase），其中研究最多的钼-固氮酶可在常温常压下进行N₂催化还原。这种酶具有独特的金属-硫-碳辅因子，即[(R-高柠檬酸盐)MoFe₇S₉C]（FeMoco，图1），其中硫环绕的铁原子被认为是捕获和还原N₂的关键。由于FeMoco仅存在于固氮酶中，因此化学家对其物化性质以及N₂还原活性产生了极大的兴趣。近50年的研究历史中，几例报道的人工合成金属硫簇作为FeMoco类似物可以与N₂结合，但让人疑惑的是，任何合成的金属硫簇或提取的FeMoco都无法实现N₂还原。尽管详细的N₂还原机制仍不明确，但越来越多的研究表明FeMoco消除了其中一个µ₂-桥联硫原子，并在铁原子上产生的空配位点捕获底物。类似地，产生小分子N₂配合物的常用方法是在还原条件下去除金属结合的配体。然而，将这种方法应用于合成FeMoco的类似物（即金属硫簇）却存在挑战性，这是因为这些簇的无机核中含有配位硫原子，因此空置的金属位点通常会吸引M-S簇的核心硫原子而非N₂，从而导致聚集。

图1. FeMoco的N₂结合态和N₂结合的Mo-Fe-S簇。图片来源：Nature

近日，日本京都大学的Yasuhiro Ohki等研究者在Nature 上报道了人工合成的[Mo₃S₄Fe]立方体（图1），其中顶点的Fe原子可以捕获N₂，并在过量钠和三甲基氯硅烷的存在下催化N₂的甲硅烷基化，形成相应的N(SiMe₃)₃。这些结果不仅证实了合成的金属硫簇能够催化N₂的甲硅烷基化，而且证明了Fe原子在富硫环境中的N₂还原能力。这对于进一步研究固氮酶FeMoco结合和活化N₂的机理有一定启发。

图2. N₂结合[Mo₃S₄Fe]簇的合成和化学修饰。图片来源：Nature

首先，作者从[Mo₃S₄Fe]簇[Cp^R₃Mo₃S₄FeCl]（Cp^R = Cp* (1a), Cp^R = Cp^L (1b) 和 Cp^R = Cp^XL (1c)）出发，在强还原剂（KC₈用于1a；萘钠用于1b和1c）和N₂气氛下于THF中进行反应形成相应的N₂簇（图2a）。由于N₂配位模式取决于Cp^R配体的体积，因此得到了N₂-桥联的[Mo₃S₄Fe]二聚体（即[{Cp*₃Mo₃S₄Fe}₂(µ-N₂)]^2- (2a)）或者带有末端N₂配体的单体（即[Cp^R₃Mo₃S₄Fe(N₂)]^-（Cp^R = Cp^L (2b)和Cp^R = Cp^XL (2c)））。需要指出的是，2a-2c的N₂键合模式主要是通过¹⁵N₂标记簇的¹⁵N NMR谱证实的，其中2a在δ = -40.9 ppm处有单峰，而2b（δ = 22.0 ppm和δ =-5.3 ppm）和2c（δ = 22.6 ppm和δ = -5.7 ppm）则分别存在两个峰。另外，在1896 cm^-1和1902 cm^-1处观察到N-N键的伸缩振动，这进一步证实了2b和2c中存在末端N₂键合，并且两者在¹⁵N₂标记时都表现出红移。然而，共振拉曼或红外光谱却无法检测到2a的N-N键伸缩振动，这可能是由于N₂键合模式的对称性略有破坏。如图2b、2c所示，作者还通过X-射线衍射分析揭示了2a和2c的结构，其中2a是N₂-桥联的[Mo₃S₄Fe]二聚体，而2c是带有末端N₂键合的单体簇。此外，两者的N-N键距离（2a：1.151(4) Å，2c：1.136(5) Å）均介于游离N₂（1.098(1) Å）和N₂H₂（1.252 Å）之间，这表明N-N键减弱。接下来，作者尝试使用[Mo₃S₄Fe]立方体进行N₂的催化还原。尽管观察到NH₃，但没有催化作用，在经典条件下最多生成1.6±0.1 equiv.的NH₃（每2c）。作者推测该反应中可能发生S原子的质子化，这会削弱Fe-S键并从[Mo₃S₄Fe]中释放出顶点Fe原子，这与电化学氧化下立方体的降解有关。值得一提的是，作者发现氯化物簇1a-1c和N₂簇2b和2c在过量钠和三甲基氯硅烷的存在下都能将N₂催化还原为N(SiMe₃)₃。如图3所示，在室温和N₂（1 atm.）气氛下反应100 h后，至少能生成122.9 ± 3.0 当量（每1c）和248.0 ± 15.6 当量（每1b）的N(SiMe₃)₃。尽管此时这些配合物活性差异的原因尚未确定，但作者认为是Cp^R配体的空间位阻效应起主要作用而非电子效应，这是因为在循环伏安法中观察到Cp^R取代基不会显著影响1a-1c的氧化还原行为或2b和2c的氧化还原特征。

图3. [Mo₃S₄Fe]簇促进N₂催化还原为N(SiMe₃)₃。图片来源：Nature

值得一提的是，以1b和2c产生的单位活性金属为基础，N(SiMe₃)₃的产率大约是迄今为止报道的其它Fe催化剂的三倍，并且与Mo和Co催化剂的最高产率相当。另外，在THF中进行的反应会伴随着副产物Me₃SiSiMe₃、Me₃SiOC₄H₉和 Me₃SiOC₄H₈SiMe₃的生成，它们源于三甲基甲硅烷基自由基（•SiMe₃）与自身或THF溶剂之间的反应。尽管THF溶剂要比N₂反应性高，但在1b的存在下N(SiMe₃)₃的选择性高达37.2%（图3）。相反，[Cp^R₃Mo₃S₄]（Cp^R = Cp* (4a)、Cp^R = Cp^L (4b) 和Cp^R = Cp^XL (4c)）、几个相关的FeS簇或FeCl₂在相同条件下却得到少量的N(SiMe₃)₃。在使用1a进行催化反应后，反应混合物的质谱显示[Mo₃S₄Fe]立方体键合了THF的开环产物，这表明立方核在催化过程中具有足够的稳定性。此外，CO捕获实验表明1c、Na和ClSiMe₃（各200 equiv.）在N₂存在下进行反应时仅形成11%的[Cp^XL₃Mo₃S₄Fe(CO)] (5)，这意味着在Fe上生成了带有不稳定配体（如THF或N₂）的[Mo₃S₄Fe]物种。也就是说，每个[Mo₃S₄Fe]立方体的Fe中心是N₂还原的位点。基于此，作者提出了[Mo₃S₄Fe]立方体催化N₂甲硅烷基化的可能机理。首先，Fe上的Cl原子被•SiMe₃攫取，产生一个与N₂键合的空Fe位点（即Fe-N₂物种），其中远端N原子经甲硅烷基化生成Fe-NNSiMe₃物种。随后，再经甲硅烷基化和还原解离一个肼阴离子[Me₃SiN-N(SiMe₃)₂]^-，从而为下一个催化循环再生一个空的Fe位点。N₂配体的初始甲硅烷基化可以说是N₂还原中最重要的步骤。为了验证这一过程，作者将原位生成的2c（由1c和2.3 equiv. KC₈制备而成）与1.1 equiv. ClSiPh₃进行反应（图2a），以20%的产率得到单甲硅烷基化的N₂物种（[Cp^XL₃Mo₃S₄Fe(N₂SiPh₃)]，3），X-射线衍射分析显示与2c相比（N-N键长为1.136(5) Å），3中的N-N键距离变长（1.193(7) Å，图2d），这些结果与先前报道的[N₂SiR₃]-Fe配合物的值很接近。尽管3上的SiPh₃取代基与催化过程中使用的SiMe₃不同，但3的分离证实了在催化循环中可能生成2c的Fe-NNSiMe₃类似物。事实上，当用3来催化N₂的甲硅烷基化时，得到了258.3±6.1 equiv.的N(SiMe₃)₃，这表明末端Fe-N₂部分对于N₂的还原至关重要。

图4. N₂结合[Mo₃S₄Fe]簇的结构模型。图片来源：Nature

如图4所示，N₂结合簇的结构模型表明Cp^R配体围绕着N₂配体和[Mo₃S₄Fe]核心，而Cp^R配体上的-SiMe₃和-SiEt₃则是被迫进入[Mo₃S₄Fe]立方体中Fe位点周围的空间（图4b、4c），以最小化Cp^R配体之间的空间排斥作用。因此，-SiR₃基团就能有效地为[Fe-N₂]部分提供空间保护，并通过Fe-N₂-Fe桥或立方体间Fe-S相互作用防止立方体的二聚化。相比之下，体积较小的Cp*配体会暴露出更多的Fe位点（图4a），并允许接近另一个[Mo₃S₄Fe]立方体的Fe位点以生成Fe-N₂-Fe二聚体。另一方面，Cp^R配体的体积也会影响催化活性，这是因为第一个N-Si键是在远端N原子上形成的。在Fe-N₂-Fe二聚体中，两个N原子都受到保护，直到其中一个Fe-N键相互作用断裂以产生单体。在使用Fe-Cl立方体的催化反应中，氯化物攫取可能会因体积较大的Cp^R配体变慢。

总结

本文合成金属硫簇[Mo₃S₄Fe]立方体催化N₂的甲硅烷基化，并提出了金属硫簇成功还原N₂的一些关键要素。其中，金属硫核在还原条件下具有足够的稳定性才可使Fe中心足够富电子以活化N₂。这些结果表明，抑制金属硫核的分子间聚集是稳定末端N₂-键合物种和保持远端N原子反应性的关键。尽管将N₂还原为NH₃与N(SiMe₃)₃的机制差异显著，但本文结果对于进一步研究固氮酶FeMoco结合和活化N₂的机理来说还是大有帮助的。

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Nitrogen reduction by the Fe sites of synthetic [Mo₃S₄Fe] cubes

Yasuhiro Ohki, Kenichiro Munakata, Yuto Matsuoka, Ryota Hara, Mami Kachi, Keisuke Uchida, Mizuki Tada, Roger E. Cramer, W. M. C. Sameera, Tsutomu Takayama, Yoichi Sakai, Shogo Kuriyama, Yoshiaki Nishibayashi, Kazuki Tanifuji

Nature, 2022, 607, 86-90, DOI: 10.1038/s41586-022-04848-1