清华大学刘强课题组JACS：具有多重金属配体协同效应的阴离子胺基Mn(I)配合物的合成及反应性

导读

清华大学刘强课题组长期致力于一价锰阴离子金属配合物的反应性和催化应用研究。2022年，他们首次报道了胺基阴离子锰氢活性中间体的分离、表征及催化转化（Nat. Chem, 2022, 14, 1233-1241），近日，又在《Nature》期刊上报道了仿生手性阴离子锰氢催化剂的设计、合成及其在微小差异烷基取代亚胺不对称氢化反应中的应用，成功实现了对一级烷基取代基之间的精准手性识别（Nature., 2024, 631, 556-562）。最近，该课题组在阴离子Mn(I)配合物研究方面取得了新进展，实现了具有多重金属配体协同效应的阴离子胺基Mn(I)配合物的合成、分离与表征。此类阴离子配合物展现出了独特的反应性质，可通过单一配体向中心金属的两电子转移过程，从而实现了较高价态锰金属中心对C(sp3)-X键的亲核取代反应。

正文

背景：金属配体协同效应被广泛应用于各类小分子的催化活化反应（图1a）。利用该策略，锰催化体系已经实现了氢化、氢元素化以及脱氢反应等重要的反应转化，丰富和促进了丰产金属催化反应在合成化学中的应用。尽管如此，利用金属锰配合物活化C(sp3)-X键以构建Mn-C键依然较为困难，目前还依赖于使用强还原剂Na/Hg还原Mn(CO)5Br或Mn2(CO)10生成具有更高亲核性的Mn(-I)活性中间体来实现（图1b）。然而，强还原剂的引入限制了锰催化剂在偶联反应中的应用，因而发展更高价态锰配合物促进的C(sp3)-X键亲核取代反应是一个亟需解决的挑战性问题。作者通过将两类经典的金属配体协同活化模式：Noyori类型（metal amide-amine）以及Milstein类型（aromatization-dearomatization）相结合，发展了一类结构新颖的阴离子胺基Mn(I)配合物，所使用的阴离子配体具备向中心金属的两电子转移能力，实现了对C(sp3)-X键的亲核取代反应（图1c, d）。

图1.具有多重金属配体协同功能阴离子胺基Mn(I)配合物的设计及其反应性

合成与表征：利用吡啶基NNP型钳形配体配位的胺基锰配合物[Mn]-1与10个当量的KH反应，可以以92%的产率得到阴离子胺基Mn(I)配合物[Mn]-2（图2a）。通过加入2,2,2-Crypt捕获钾离子，获得了负二价配体配位的阴离子Mn(I)配合物的单晶结构（图2b）。分子轨道分析表明在[Mn]-2配合物的HOMO轨道中存在中心金属锰的3dz2轨道贡献，基于轨道对称性匹配原则可发生对C(sp3)-X键的SN2型亲核取代反应（图2c）。

图2. 阴离子胺基Mn(I)配合物的合成与表征

反应性：进一步研究表明，阴离子胺基Mn(I)配合物[Mn]-2可以与CH3I，CH3OTs等亲电试剂发生亲核取代反应，以大于95%的产率生成甲基锰配合物[Mn]-7（图3a）。DFT计算结果表明，相较于配体中的碳负离子发生亲核进攻的反应路径，中心金属对亲电试剂的亲核取代反应是动力学控制的优势反应途径，二者的活化能垒相差了1.3 kcal/mol（图3b）。分子轨道分析表明，中心金属锰亲核进攻的过渡态（TS1）中，锰配合物的HOMO轨道能级更高，为-3.65 eV，配体碳端亲核进攻的过渡态（TS2）中，锰配合物的HOMO轨道能级为-3.86 eV。上述结果说明中心金属锰与底物之间存在更强的相互作用，降低了亲核取代反应的活化能垒（图3c）。AIM电荷分析表明，在中心金属锰亲核进攻的反应路径中，金属中心的电荷几乎不变，始终维持在+1价左右，而配体骨架电荷增加了近0.6，碘原子电荷减少了近0.9。这一结果表明在亲核取代反应过程中，配体的电子通过锰金属中心的介导转移给了底物碘甲烷，而中心金属锰的电子密度在反应过程中基本维持不变（图3d）。

图3. 阴离子胺基Mn(I)配合物对碘甲烷的亲核取代反应及机理研究。

在此基础上为了进一步提高在锰金属中心的发生亲核取代反应的适用性和选择性，作者在配体中吡啶结构单元的邻位引入甲基取代基，通过增大碳亲核位点的位阻，促使亲核取代反应发生在锰金属中心（图4）。相较于无甲基取代的阴离子胺基Mn(I)配合物[Mn]-2，甲基化配合物[Mn]-13对EtOTs的亲核取代反应选择性从46：47（锰端取代产物：碳端取代产物）成功提高到68：31。但对于位阻更大的iPrOTs，则全部得到碳端取代的产物。此外，目前该化合物催化的碳碳偶联反应还在进一步研究中。

图4. 阴离子胺基Mn(I)配合物与ROTs的反应性探究。

总结

该课题组成功合成、分离并表征出了兼具Noyori类型以及Milstein类型两类金属配体协同效应的阴离子胺基Mn(I)配合物。该阴离子锰络合物展现出了独特的反应性质，通过单一配体向锰中心金属的两电子转移，在较高价态锰金属中心实现了对C(sp3)-X键的亲核取代反应。本项研究拓展了金属配体协同效应在阴离子金属配合物中的应用，为发展新型的锰催化偶联反应奠定了重要的基础。

作者介绍

刘强，清华大学副教授，博士生导师。2007年本科毕业于武汉大学；2012在武汉大学获博士学位；2012-2015年在德国莱布尼茨催化研究所从事博士后研究；2015开始在清华大学化学系工作至今。主要荣誉包括入选中国优秀博士代表团受邀参加德国林岛诺贝尔奖得主大会（2010），德国洪堡奖学金（2012），国家级青年人才项目（2015），Thieme Chemistry Journals Award（2017）,国家自然科学基金委优秀青年基金获得者（2018），国家自然科学基金委杰出青年基金获得者（2022），清华大学年度教学优秀奖（2021），清华大学优秀博士论文指导教师（2022, 2024）。

文献详情：

Unveiling the Unique Reactivity of Anionic Mn(I) Complexes via Metal−Ligand Cooperation: Nucleophilic Attack on C(sp3)−X Bonds.

Hengxu Li, Mingjie Fan, Qiang Liu.

J. Am. Chem. Soc.2024

https://doi.org/10.1021/jacs.4c01683

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