从氮气到氰基的转化：神奇的多钛框架

氰基化合物以一种重要的中间体，在医药、材料、精细化工等多个领域都有广发的应用。目前，氰基的制备绝大多数都是直接或间接以氨气为原料，而氨气的工业化生产主要依靠经典的人工固氮法-哈柏法（Haber-bosch reacton），即采用固体催化剂（如Fe³⁺），高压、高温条件下，N₂/H₂直接反应得到氨气，产率却不足20%。

极高的氮-氮键能（226 kcal/mol）导致N₂的化学惰性，为了提高人工固氮的效率，在过去的几十年，化学工作者利用过渡金属配合物-强还原剂的条件来活化氮气。Cummins和Schneider等先后报道了氮化钼、氮化铌（Scheme 1a）和氮化铼（Scheme 1b）到氰基化合物的多步转化。最近，日本理化学研究所（RIKEN）的侯召民（Zhaomin Hou）研究员小组发现，该小组2013年发展的二酰亚胺四钛氢化物[(CpˊTi)₄(μ₃-NH)₂(μ₂-H)₄]，可以实现氮气的固定，得到二酰亚胺四钛氮化物[(CpˊTi)₄(μ₃-NH)₂(μ₂-N)₄]，并可以与多种酰氯发生进一步反应，得到氰基化合物，该成果发表在近期的Angew. Chem. Int. Ed.上。（Conversion of Dinitrogen to Nitriles at a Multinuclear Titanium Framework. Angew. Chem. Int. Ed.,2016, 55, 12316-12320. DOI: 10.1002/anie.201607426）

图片来源: 百度百科及Angew. Chem. Int. Ed.

Scheme 1. 基于金属固氮法的氰基化合物合成。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在180 ℃、1个大气压N₂条件下反应两天，棕紫色的氢化物1可以稳定地转化为深蓝色的氮化物2，收率95%；在类似的¹⁵N₂条件下，可以得到¹⁵N标记的氮化物2-¹⁵N。经1.5当量的对二苯醌处理，2或2-¹⁵N可以转化为深绿色的脱氢产物，收率约80%，通过X-衍生单晶确认其结构如3所示（Scheme 2）。

Scheme 2. 基于氢化钛配合物的氮气活化。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在苯/60 ℃/12 h条件下，2或2-¹⁵N可以与多种不同的酰氯（芳基、烷基以及肉桂酰氯，含有硝基、卤素、醛等官能团）发生反应，得到氰基产物，收率可达67-85%（Scheme 3）。与Cummins和Schneider的报道所不同的是,上述反应无需任何添加剂(如还原剂、碱等)。在相同条件下，氮化物3则不能与酰氯发生反应。

Scheme 3. 基于氮化钛配合物的从酰氯到氰基的转化。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

为了更深入地研究反应机理，研究小组尝试分离可能的反应中间体。氮化物2和肉桂酰氯4k在苯/60 ℃条件下反应3小时，可以以30%收率分离得到二钛化合物6。类似的¹⁵N-6的合成收率为25%。基于¹⁵N-6的氢谱、碳谱和氮谱显示该结构中含有酰胺和桥氮结构。将分离得到的6重新置于苯/60 ℃条件下反应12小时，仅得到痕量的产物5k；额外加入1.0当量的肉桂酰氯，反应可以以80%的收率得到5k，同时分离得到氧桥二钛化合物7（42%收率，Scheme 4）。

Scheme 4. 反应中间体的分离。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

基于上述的实验结果，研究小组提出了可能的反应机理。通过过渡态A，氮化物2的酰亚胺结构与酰氯发生亲核加成反应，生成中间体B；氯原子发生1,3-迁移（从C到Ti），生成中间体C；然后C与两分子酰氯发生反应得到两分子产物5和中间体D，该过程可能包含质子1,3-迁移（从酰胺氮原子到酰亚胺氮原子），然后再与酰氯发生类似于从2到B的亲核加成反应；中间体D中的氯原子发生1,5-迁移（从C到Ti）得到E，再释放两分子产物5（Scheme 5）。

Scheme 5. 可能的反应机理。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

理论上，由于该反应需要消耗等当量的Ti化合物，原子经济性较差。因此，研究小组设计了如Scheme 6所示的金属Ti的回收再利用：2与酰氯的反应混合物经稀盐酸处理可以以83%的收率得到CpˊTiCl₃，再与烷基锂试剂反应可以得到[CpˊTi(CH₂SiMe ₃)₃]，该化合物可以活化N₂/H₂，重新得到氮化物2。

Scheme 6. 钛介导的氮气活化法循环合成氰基化合物。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

总结：

侯召民研究小组利用组内发展的氢化钛配合物，实现了N₂的活化，得到新的氮化钛配合物，并在温和条件下，可作为氮源将多种酰氯官能团转化为氰基。该小组还设计了循环合成路线，实现了以钛作为媒介的高效“人工固氮”方法。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201607426/abstract

（本文由岐黄柚子茶供稿）