【人物与科研】北京大学张文雄课题组JACS：镧系金属杂环丙烯与腈的选择性偶联

导语

金属有机杂环化合物是有机合成和催化反应中的关键中间体，其分离、结构表征和反应一直是金属有机化学和配位化学的前沿研究内容。过渡金属有机杂环在过去几十年间得到了广泛研究，然而，由于缺乏合适的合成方法，稀土金属有机杂环鲜有报道。由于稀土元素具有独特的电子结构和特殊的物理和化学性质，稀土金属有机杂环将会表现出独特的化学。近日，北京大学张文雄课题组报道了稀土金属杂环丙烯与腈的选择性偶联反应研究，分离和表征了首例氮杂稀土金属杂环戊二烯和η²-嘧啶-稀土金属杂环配合物等。相关成果以封面文章的形式发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.1c03604）。

张文雄教授课题组简介

张文雄，2007年10月从日本理化学研究所回到北京大学化学学院有机所工作，任副教授，在席振峰院士课题组开展科研工作，2016年晋升为教授，2017年获得国家杰出青年科学基金；通过国际评估等程序，2021年1月始，在北京大学化学学院无机所建立“稀土金属有机化学”课题组（英文名称：Chemistry of Carbon˗Rare Earth Metals，简称：CCREM课题组），任课题组长/PI。CCREM课题组秉承“CCREM（Confidence/自信、Cooperation/协同、Renovation/创新、Enthusiasm/激情、Mission/担当）”文化和协同管理理念。研究室的核心研究内容聚焦在稀土金属有机化学和白磷的活化与转化直接构建有机膦化合物。

张文雄教授简介

张文雄，湖南宁乡人，现为北京大学博雅特聘教授，博士生导师。1996年获湖南师范大学学士学位；1999年获广西师范大学硕士学位；2003年获南开大学博士学位（导师：宋礼成院士）；先后在北京大学化学学院（2002-2004年，导师：席振峰院士）和日本理化学研究所（2004-2007年，导师：侯召民教授）做博士后研究；2007年10月至今在北京大学化学学院工作，历任副教授（2007年）、教授（2016年），博雅特聘教授（2018年），博士生导师（2008年）。2015年获Thieme Chemistry Journals Award奖，2017年获国家杰出青年科学基金，2019年获宝钢优秀教师奖。

前沿科研成果

镧系金属杂环丙烯与腈的选择性偶联研究

金属杂环丙烯由于其独特的结构和反应性以及其在合成和催化反应中的广泛应用，一直是金属有机化学家的重要研究对象。在过去的几十年间，前过渡、主族和锕系金属杂环丙烯被广泛研究。与之相比，稀土金属杂环丙烯的研究一直处于空白。直到2019年，首例稀土金属杂环丙烯--钪杂环丙烯才被张文雄课题组合成和报道（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 20547）。然而，中心金属的空间位阻大导致了钪杂环丙烯的反应性受限，其不能与腈等不饱和分子发生插入反应。考虑到镧系金属相比于钪元素具有更大的离子半径，因此本文合成了两例镧系金属杂环丙烯--镥和镝杂环丙烯，并系统研究了其与腈的反应化学。与钪杂环丙烯及其它金属杂环丙烯不同，镧系金属杂环丙烯可以与三倍当量的腈发生选择性偶联反应，经历氮杂稀土金属杂环戊二烯和η²-嘧啶配合物中间体后生成新颖的稀土金属并环化合物。机理研究表明，6π电环化是构建嘧啶环的重要步骤。该研究结果为金属催化的[2+2+2]-环加成反应提供了一种新机制（图1）。

图1. 金属杂环丙烯与腈的反应概况

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者首先合成了镥杂环丙烯2a和镝杂环丙烯2b，并尝试了2a与过量苯腈的反应。经后处理和重结晶，高产率获得了配合物3a（图2a）。3a形成的第一步是一分子苯腈插入到2a的Lu−C_sp2键中生成氮杂镥杂环戊二烯IM1（图2b），随后经历两条可能的路径：a）IM1与第二分子苯腈再次发生Lu−C_sp2键的插入反应得到中间体IM2，IM2与第三分子苯腈发生Lu−N键的插入反应得到九元环中间体IM3，IM3经电环化即可生成产物3a；b）IM1与第二分子苯腈发生Lu−N键的插入反应得到不对称的镥杂七元环中间体IM2'，IM2'经6π电环化关环生成高张力的氮杂镥杂环丙烷IM3'，IM3'最终与第三分子苯腈发生Lu−C_sp2键的插入反应而生成产物3a。DFT计算结果表明（图2c）：在IM1中，Lu−C_sp2和Lu−N键发生C≡N叁键的插入反应的活化能垒分别为22.3和27.8 kcal/mol，这说明镥杂氮杂环戊二烯中间体IM1更容易经路径b中的Lu−N键的插入反应。此外，在路径a中，反应的决速步能垒高达27.8 kcal/mol，而路径b的决速步能垒为22.3 kcal/mol。这些计算结果表明，2a与苯腈反应经路径b生成产物3a在能量上更有利。

图2. 镥杂环丙烯2a与三当量PhCN的反应及机理

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

根据以上结果，作者进一步尝试了反应中活性中间体的分离。当镥杂环丙烯2a与等当量的苯腈在低温下反应时，氮杂镥杂环戊二烯5a可以被高产率分离得到，5a可以进一步与两当量的苯腈反应而生成产物3a。此外，其它芳基或烷基腈也可与2a发生插入反应而高产率生成氮杂镥杂环戊二烯5b-d（图3a）。在成功分离氮杂镥杂环戊二烯中间体IM1后，尝试了镥杂环丙烯2a与两倍当量腈的反应，然而，反应生成难以鉴定的混合物。基于此，作者尝试了镝杂环丙烯与两当量苯腈的反应，该反应专一性地生成了含有氮杂镝杂环丙烷的并环化合物6，6可以看作由一分子炔烃和两分子腈发生[2+2+2]环加成而生成的η²-嘧啶配位的镝配合物（图3b）。配合物6是中间体IM3'的类似物，它的生成为3a的反应机理提供了有力的证据。同时，6在加热条件下可与苯腈发生插入反应，生成配合物3a的类似物。配合物5a和6的分离揭示了双氮杂金属杂环庚三烯IM2'发生了6π电环化生成IM3'的机制，同时，该电环化过程得到了NBO/IBO分析的进一步证实。文献一般认为，在金属催化的[2+2+2]环加成反应中，类似的七元环中间体通常经历还原消除而完成环化过程（图1）。本文报道的6π电环化机制为金属催化的[2+2+2]环加成反应提供了一种新机制。

图3. 氮杂镥杂环戊二烯5a和η²-嘧啶镝配合物6的合成及单晶结构（单晶结构中抗衡阳离子[K(crypt)]⁺被省略）

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

配合物5a为首例氮杂镥杂环戊二烯，因此其反应化学也值得探索。当5a与一倍当量大位阻的腈--三甲基氰硅烷（TMSCN）反应时，含有吡咯单元的镥杂并环化合物7可以被高产率分离得到（图4a）。7的生成可能经历了C≡N键对Lu−N键的插入、分子内加成、1,2-TMS迁移及结构重排等过程。在该反应中，TMSCN通过1,2-硅迁移而充当了异腈的角色，因此，作者尝试了5a与异腈的反应，得到了类似的镥杂并环化合物8（图4b），8b在室温下会逐渐分解成2-氨基吡咯阴离子9（图4c）。此外，5a也可以与Mo(CO)₆反应，生成含有镥氧氮杂环丁烷单元的并环化合物10（图4d）。

图4. 氮杂镥杂环戊二烯5a与TMSCN、异腈及Mo(CO)₆的反应

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

在上述研究中，镥杂环丙烯2a表现出与钪杂环丙烯2c及其它金属杂环丙烯不同的反应化学。为了理解钪杂环丙烯与镥杂环丙烯在结构上的差异，作者对镥杂环丙烯2a及钪杂环丙烯2c进行了自然定域轨道（natural-localized molecular orbital, NLMO）分析。计算结果表明（图5），与钪杂环丙烯2c中的Sc−C_sp2键相比，镥杂环丙烯2a中的Lu−C_sp2键具有更大的极性和更强的离子性，这说明2a中的Lu−C_sp2键比2c中的Sc−C_sp2键具有更高的反应性。此外，Lu³⁺（0.977 Å）和Sc³⁺（0.870 Å）离子半径的差异也是导致镥杂环丙烯和钪杂环丙烯反应性不同的重要原因。对于氮杂镥杂环戊二烯5a而言，也表现出与其它氮杂金属杂环戊二烯不同的反应化学。例如，5a在与不饱和底物发生插入反应时，优先发生Lu−N键的插入反应。为了理解5a特殊的反应化学，作者对其进行了理论计算。如图5所示，5a的最高占据轨道（HOMO）主要由N1、C1、C2、C3四个原子的轨道组成，且N1原子的贡献远大于其它三个原子；同时，NLMO分析表明，5a中的Lu−N键的极性和离子性明显大于Lu−C_sp2。以上这些结果均说明配合物5a中的Lu−N键相对于其Lu−C_sp2具有更高的反应活性，这与实验结果相一致。

图5. 配合物2a、2c和5a的NLBO图及配合物5a的HOMO图

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

综上，本文报道了镥和镝杂环丙烯与腈的选择性偶联反应研究，分离和表征了首例氮杂金属杂环戊二烯和稀土-嘧啶并环配合物，为金属催化的[2+2+2]环加成反应提供了新的6π电环化机制。该工作以“Selective Coupling of Lanthanide Metallacyclopropenes and Nitriles via Azametallacyclopentadiene and η²-Pyrimidine Metallacycle”为题在线发表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.1c03604）上。本文第一作者为北京大学化学学院博士生吕泽杰，通讯作者为北京大学化学学院张文雄

综上，本文报道了镥和镝杂环丙烯与腈的选择性偶联反应研究，分离和表征了首例氮杂金属杂环戊二烯和稀土-嘧啶并环配合物，为金属催化的[2+2+2]环加成反应提供了新的6π电环化机制。该工作以“Selective Coupling of Lanthanide Metallacyclopropenes and Nitriles via Azametallacyclopentadiene and η²-Pyrimidine Metallacycle”为题在线发表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.1c03604）上。本文第一作者为北京大学化学学院博士生吕泽杰，通讯作者为北京大学化学学院张文雄教授（论文作者：Ze-Jie Lv, Zhengqi Chai, Miaomiao Zhu, Junnian Wei, Wen-Xiong Zhang）。该研究工作得到了国家自然科学基金（杰出青年科学基金和重大项目）、北京大学和北京分子科学研究中心的资助，特别致谢席振峰教授对CCREM课题组的无私奉献和鼎力支持。