氢化锂介导苯胺碳氮键氢解

碳氮键（C-N）广泛存在于有机及生物大分子中，其活化与断裂是非常重要的化学反应过程。其中，芳香胺有机化合物中C-N键能较高，反应活性较低，且胺基基团离去能力较差，实现在温和条件下芳基C-N键的高效活化与转化，在多相和均相研究领域都是非常具有挑战性的课题。目前，实现C-N键活化通常依赖过渡金属元素（图1a, 1b）。如在多相反应中C-N键断裂研究集中在加氢脱氮反应中，研究较多的是CoMo、NiMo硫化物、氮化物或磷化物以及贵金属等催化剂，反应条件比较苛刻，通常需要高温（300-500 °C）和高氢压（10-100 bar）条件，且加氢产物往往以芳（杂）环饱和加氢产物为主。

图1. 多相及均相体系中过渡金属介导含氮有机物C-N键断裂过程（a和b）及氢化锂介导苯胺C-N键断裂化学链过程（c）示意图

近日，中国科学院大连化学物理研究所陈萍（点击查看介绍）、郭建平（点击查看介绍）研究团队与厦门大学吴安安副教授（点击查看介绍）合作报道了氢化锂（LiH）介导苯胺碳氮键（C-N）氢解生成苯和氨的化学链过程（图1c）。这一被称为“化学链加氢脱氮”（简写为CL-HDN）过程由三步反应构成。首先，通过球磨方式利用LiH与苯胺反应生成苯胺锂（C₆H₅NHLi）(图1c，Step Ⅰ)。随后，苯胺锂在流动态10 bar氢压下升温至270 °C进行反应，在气相产物中检测到苯和氨的生成（图2a）。反应过程中，苯和氨生成的不同起点温度也意味着它们的生成可能经历不同的反应路径。进一步在密闭体系中对苯胺锂进行氢解实验，除了在气相产物可检测到苯及少量氨（图2b-c），固体产物中还观察到氨基锂（LiNH₂）的生成（图2d）。这表明苯胺锂在加氢脱氮过程中，可能先生成苯和LiNH₂，而LiNH₂可以进一步加氢放氨生成LiH（图1c，Step Ⅱ, Ⅲ）。流动态反应后固体产物中可观察到LiH存在（图3e）以及氘反同位素等实验结果均证实了该反应历程。

图2. 苯胺锂加氢脱氮产物表征

基于上述实验结果，研究人员利用固定床反应器对这一化学链过程的构建进行验证（图3）。在该过程中苯是唯一脱氮产物，这与常规过渡金属多相催化剂上以芳环饱和加氢产物为主的实验现象有着显著不同。同时，在较低反应温度和压力下，苯的生成速率与过渡金属催化反应相当。

图3. 氢化锂介导苯胺加氢脱氮化学链过程（CL-HDN）示意图。

为解释这一实验现象，研究人员通过理论计算对反应机理进行了详细研究（图4）。发现H₂可在苯胺锂的Li-N键发生异裂活化，形成[LiH-苯胺]配合物，与Li相连的H呈现H‾性质，可作为亲核试剂进攻苯胺上带正电的α-C原子，同时Li⁺与苯环形成cation-π相互作用削弱了C-N键，从而实现苯胺中芳基C-N键的氢解。在整个反应过程中，负氢物种的亲核进攻过程具有较高的反应能垒（37.6 kcal mol^-1），可能是反应的决速步骤。

图4. 苯胺锂在300 °C下氢解成苯-LiNH₂络合物的计算自由能路径图

综上，本工作中，研究人员发现负氢（H‾）物种可作为亲核试剂进攻芳环，并利用该特点构建了LiH介导苯胺C-N键氢解生成苯和氨的化学链过程。该研究为含氮有机物C-N键的活化研究提供了新思路，更重要的是负氢（H‾）介导苯环亲核取代机制的发现对于相关化学转化研究可能具有启示意义。

相关成果于近日发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。该论文的共同第一作者是大连化物所DNL1901组博士研究生蔡永丽和厦门大学研究生刘伟，通讯作者为郭建平、吴安安、陈萍。

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）：

Transition Metal-Free Hydrogenolysis of Anilines to Arenes Mediated by Lithium Hydride

Yongli Cai, Wei Liu, Yang Yu, Ligao Liu, Qijun Pei, Han Wu, Teng He, Jianping Guo*, Anan Wu*, and Ping Chen*

J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 17441–17448, DOI: 10.1021/jacs.2c05586

导师介绍

郭建平

https://www.x-mol.com/university/faculty/178549 

吴安安

https://www.x-mol.com/university/faculty/14173 

陈萍课题组网站

http://www.imide.dicp.ac.cn/index.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/22818