Science：抓住它！超活泼的铜氮宾

氮宾（nitrene，R-N）具有一颗不符合八电子规则的氮原子，一般情况下基态为三线态双自由基，动力学和热力学稳定性极低（点击阅读相关）。氮宾异常活泼的化学性质也为其奠定了在合成化学中的重要地位，常作为反应中间体来构建碳-氮以及杂原子-氮化学键。引发氮宾中间体有很多种策略，最常见的莫过于过渡金属催化有机叠氮化合物的分解反应（R-N₃ → R-N + N₂）。在铜催化的条件下，早期的动力学和X射线吸收光谱证据显示活性催化物种末端铜氮宾化合物（Cu(NR)）存在于反应体系中。但是，如何在分子层面设计合成稳定的铜氮宾配合物，并对其氧化态、电子结构以及化学性质进行研究一直是科学界的难题。解决上述问题对未来合理设计碳-氮以及杂原子-氮化学键的催化体系有高度的指导作用。

近期，哈佛大学化学系的Theodore A. Betley教授和康乃尔大学化学系的Kyle M. Lancaster教授等研究者在三线态铜氮宾化合物的分离表征中实现重要突破，并对其催化性能（胺基化反应）进行了研究，相关成果发表于Science。

图1. 金属氮宾化合物M(NR)的不同成键模式。图片来源：Science

鉴于第三周期过渡金属和氮原子轨道能量的区别，末端M(NR)具有多种成键模式。一般来说对于前过渡金属元素，高价金属亚胺配合物（M-imido complex）比较常见，R-N基团接收金属中心的电子，将金属氧化为较高的氧化态，同时形成M≡N三键（一个配位键）（图1A）。由于高度极化的M≡N化学键，M端和N端分别作为亲电和亲核基团，1,2-加成反应较为常见。当金属的3d和N的2p原子轨道能量接近时，金属亚胺自由基配合物（M-iminyl complex）的共振形式则会占据优势，形成M=N双键（一个配位键），N原子上仍然具有一个孤电子（图1B）。最后一种极端情况是过渡金属保持低氧化态，仅作为路易斯酸，R-N基团仍然显示出氮宾的电子结构且以一对孤对电子对金属进行配位，形成金属氮宾配合物（M-nitrene complex；图1C）。此类配合物中，N端保持氮宾的活性（亲电为主），N中心的电子组态可以为单线态或三线态。

图2. 末端亚铜氮宾化合物的制备。图片来源：Science

为了防止氮宾的二聚或解离，作者首先制备了大位阻的亚铜配合物（Cu-N₂）1（图2A）。配合物1的晶体结构中存在非常短的N≡N键（1.085(4) Å）（图2B），并且红外光谱显示了迄今最弱的过渡金属-N₂配体π反馈键作用（¹⁴N：2242 cm^-1；¹⁵N：2167 cm^-1）。1和3,5-二甲氧基苯基叠氮化合物在室温下反应12小时，形成二聚体化合物2。作者推测2的形成经历了芳基叠氮对位碳自由基的二聚反应。基于上述分析，作者选用对位叔丁氧基及叔丁基取代的芳基叠氮化合物和1进行反应，成功合成和本文的亮点化合物3和4（图2A和D，图3A）。

化合物4的空间填充模型可以很清晰地看到大位阻的取代基有效地保护了Cu(NR)基团（图3C）。液相磁矩（3: 2.8(1)µ_B; 4: 2.9(1)µ_B）、顺磁共振信号以及大范围飘动的核磁共振（图3D）数据均显示3和4为三线态双自由基。另外，单晶衍射数据可以明显看出芳基的去芳香化作用，形成单双键交替的环己二烯结构（图3B）。Cu–N–C_ipso键角接近平角（3: 175.8(2)°; 4: 174.1(2)°]）。虽然Cu–NR键长很短（3: 1.745(2) Å; 4: 1.759(2) Å），但是Cu–N_dipyrrin键长（3: 1.944(2), 1.942(2) Å; 4: 1.944(2), 1.940(2) Å）和铜（I）化合物1接近，明显长于铜（II）化合物(^EMindL)CuCl，意味着铜的氧化态在3和4中很可能为+1。

图3. 化合物3和4的部分表征数据。图片来源：Science

基于化合物3和4的顺磁性质，Cu和N之间的成键模式有三种可能性：Cu(I)(NR)（N为三线电子态）、Cu(II)(NR)和Cu(III)(NR)。为了绘制更清晰的原子氧化态以及成键模式，作者采用了多核X射线吸收光谱（XAS；实验在美国斯坦福同步加速器辐射光源完成）。标准Cu（I）物质为(^EMindL)Cu[H₂N(C₆H₄tBu)]（5），Cu（II）为(^EMindL)Cu[HN(3,5-(CF₃)₂C₆H₃)]（7）。作者分别对化合物4、5和7的Cu-K缘（图4A）、Cu-L缘（图4B）以及N-K缘（图4C）进行XAS检测，并且结合含时密度泛函理论（TD-DFT）计算分析。化合物4的L₃-主线吸收（Cu的2p→3d跃迁；931 eV）更接近于5（931.2 eV）。实验和理论计算均显示在化合物4（exp: 14 ±1.1%；calc: 13.7%）和7（exp: 53 ± 3.2%；calc: 52.8%）的受体轨道中3d成分有明显区别。另外，N-K缘数据也支持4和7的明显区别。以上XAS数据均支持铜的氧化态为+1。

图4. X射线吸收谱图 （A: Cu K-edge; B: Cu  L_2,3-edge; C: N K-edge）。图片来源：Science

理论计算（spectroscopy-oriented configuration interaction calculation）指出化合物4的基态三线态为多种组态。其中占主导的是铜（I）氮宾电子结构（图5，CFG 1（58%）），N原子周围具有两个孤电子，分别占据2px和2py轨道，2px的孤电子有部分离域到N相连的芳香环上。另外一个占据25%的是铜（II）亚胺自由基电子结构（CFG 2），Cu中心电子转移至N中心，导致Cu的3dxy和N的2px轨道半充满。其他电子结构均占比小于3%。结合XAS的数据，3和4的最佳电子结构为三线态铜（I）氮宾配合物。

图5. 化合物4的基态多组态轨道分布。图片来源：Science

作者随后对这类铜氮宾配合物的氮宾转移反应活性进行了研究。4和Me₃P发生反应，可以完全转化为(^EMindL)Cu(PMe₃)和Me₃P=N(C₆H₄tBu)。3和4也可以和有机异氰（tBuNC）发生反应，两分子氮宾发生二聚反应形成RN=NR（图6）。然而，4不能在温和条件下活化甲苯苄位C–H键，作者推测缺电子的氮宾基团亲电性会增强，也许可以完成C–H键活化。事实证明，降低Cu周围的空间位阻和选用缺电子的氮宾，C–H键的胺化反应可以顺利进行（图6，甲苯、环己烯和环己烷的反应）。其中和环己烯的反应可以在催化量（10%）的Cu催化剂下进行。另外，类似的氮宾转移反应也可以应用在氮杂环丙烷化反应中（图6，苯乙烯的反应）。

图6. 氮宾转移活性研究。图片来源：Science

至此，笔者简要介绍了首例三线态铜氮宾的合成、表征以及反应性研究。有意思的是，晶体数据虽然支持Cu和N之间具有多重键性质（在此情况下电子结构热力学稳定性最高），但是XAS可以检测出微妙的差别，支持Cu–N单键的铜氮宾电子结构。后续的理论计算以及反应活性研究也再次佐证了铜氮宾的电子结构。在笔者看来，这项研究不仅对后过渡金属配体多重键化学有着重大科学意义（晶体学表征的最稳定的电子结构和反应化学表现的电子结构正好处于两个共振极端），同样的概念可以进一步衍生到其他元素多重键化合物。

PS：Betley教授和Lancaster教授课题组几乎利用了所有能利用的现代仪器分析方法对过渡金属配合物4进行了一系列的表征。论文对具体细节的处理令笔者大开眼界。145页的支持信息对论文里所有相关的数据做了非常详细的解释和支持。感兴趣的读者可以参考阅读。

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）：

Synthesis of a copper-supported triplet nitrene complex pertinent to copper-catalyzed amination

Kurtis M. Carsch, Ida M. DiMucci, Diana A. Iovan, Alex Li, Shao-Liang Zheng, Charles J. Titus, Sang Jun Lee, Kent D. Irwin, Dennis Nordlund, Kyle M. Lancaster, Theodore A. Betley

Science, 2019, 365, 1138-1143, DOI: 10.1126/science.aax4423

导师介绍

Kyle M. Lancaster

https://www.x-mol.com/university/faculty/568

（本文由chemliu供稿）