利用Ru(II)-质子性NHC复合物在微波条件下加速催化反应,以甲醇作为可持续的C1来源,实现对苯胺的选择性N-甲基化

《Molecular Catalysis》:Microwave-accelerated catalysis with Ru(II)-protic-NHC complexes for selective N-methylation of anilines using methanol as a sustainable C1 source

【字体: 时间:2026年02月10日 来源:Molecular Catalysis 4.9

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  本研究开发了基于Ru(II)-protic-NHC络合物的绿色N-甲基化策略,在微波辅助下实现35分钟内>99%转化率和高选择性,机理涉及氢借位路径,并成功放大至克级。

  
埃克塔·亚达夫(Ekta Yadav)|阿切纳·萨哈(Achena Saha)|尚布·纳特(Shambhu Nath)|阿姆伦德拉·K·辛格(Amrendra K. Singh)
印度理工学院印多尔分校化学系,西姆罗尔(Simrol),印多尔453552,印度

摘要

本文探讨了一种可持续且原子经济高效的策略,利用甲醇作为无害的C1源,通过Ru(II)-protic-NHC复合物选择性地对苯胺进行N-甲基化,在微波照射下取得了优异的性能。研究评估了一系列Ru(II)-protic-N-杂环卡宾复合物,这些复合物含有不对称的CNN钳形配体,包括基于苯并咪唑亚烯的(Ru1-Ru4)、基于三唑亚烯的(Ru5-Ru7)以及新合成的基于咪唑亚烯的复合物(Ru8和Ru9)。其中,基于苯并咪唑亚烯的Ru1复合物表现出出色的催化性能。在优化条件下,Ru1利用甲醇作为甲基供体和氢源,实现了超过99%的转化率和优异的单N-甲基化选择性。值得注意的是,微波照射加速了反应过程,将反应时间从热法下的12小时缩短至40°C下的仅35分钟,并且效率相当。该方法具有广泛的底物适应性,能够处理电子供体、电子受体、杂芳香族和空间受阻的底物,从而获得定量的N-甲基化产物。克级合成验证了该过程的稳健性和可扩展性。通过NMR、质谱和GC-MS分析以及对照实验,确定了N-苯基甲胺和N-苯基甲酰胺是氢转移途径中的关键中间体。Ru-protic-NHC框架与微波加速的结合,提供了一种绿色、快速且可扩展的方法,用于苯胺的高效N-甲基化。

引言

由于胺类功能团在药品、农用化学品、精细化学品和功能材料中的普遍存在,开发可持续且高效的C-N键形成策略一直是现代催化领域的核心追求[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]]。其中,N-甲基化胺类化合物是一类特别有价值的化合物,作为调节生物活性、亲脂性和药代动力学行为的关键中间体和结构基元[[14], [15], [16], [17], [18], [19]]。传统的N-甲基化方法通常依赖于有毒且会产生废物的烷基化试剂,如碘甲烷、二甲硫酸酯或甲醛,这些试剂对环境和安全构成严重威胁[[20], [21], [22], [23], [24]]。相比之下,使用甲醇作为无害且可再生的C1原料,并结合氢转移(或自转移)催化,为选择性N-甲基化提供了一种高度原子经济且环保的替代方案,仅产生水作为计量副产物[[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]]。
近年来,过渡金属催化剂已成为C-N键构建的多功能平台,其中Ru-NHC体系因其卓越的稳定性、可调的电子性质和强大的金属-配体协同作用而受到特别关注[[30,[35], [36], [37], [38], [39], [40]]。Protic-NHC配体进一步促进了双功能路径的发展,提高了活性和选择性[[41], [42], [43], [44], [45]],使其非常适合使用甲醇(一种无害且可持续的C1源)通过氢转移机制进行苯胺的N-甲基化(图1)[33,46,47]。协同作用的钳形支架有效调节了金属中心的电子环境,降低了活化能并提高了催化转化率[[48], [49], [50], [51]]。值得注意的贡献包括:Bai等人报道了具有NNN钳形结构的Ru复合物,其OMe取代衍生物表现出更广泛的底物适应性[52];Beller团队展示了高效环金属化的Ru复合物[35];Pirani和Eshghi开发了一种基于咖啡因的Ru-NHC体系,结合了优异的单选择性及环保特性[53];Srimani等人引入了一种基于吖啶的SNS-Ru催化剂,在温和条件下促进了稳健的N-甲基化[54]。总体而言,这些研究强调了Ru-NHC和Ru-钳形结构作为使用甲醇进行选择性N-甲基化转化的强大且可持续平台的潜力(图2)[[55], [56], [57]]。
微波辅助有机合成(MAOS)通过提供快速、节能和可持续的替代方法,彻底改变了合成化学[[58], [59], [60], [61], [62], [63]]。与传统方法不同,微波照射不需要长时间加热、苛刻条件或产量限制,能够实现快速反应速率、更高的选择性和更清洁的产物纯度[[64,65]]。研究表明,利用醇类作为可持续的C1源的微波辅助N-烷基化反应可在几分钟内高效合成烷基化胺类,产率优异[[66], [67], [68], [69]]。该方法对底物具有广泛的适应性,并显著简化了产物分离过程。研究突显了微波照射相对于传统热条件的优势,特别是在加速反应和简化操作方面[[70,71]]。然而,目前仍无法充分降低反应温度,这表明需要进一步的研究和方法改进[[72]]。总体而言,这种方法体现了绿色化学的原则,在学术和工业领域均提供了优于传统方法的替代方案[[73,74]]。值得注意的是,Crabtree及其同事使用铱催化剂和甲醇实现了苯胺的微波辅助N-甲基化[[75]],但微波照射的独特优势(如更温和的反应条件、更短的反应时间和更好的能源利用)尚未得到充分探索。
在本研究中,我们系统地研究了含有不对称protic和经典NHC钳形配体的钌(II)复合物,阐明了它们的结构特征、电子性质以及在利用甲醇作为绿色C1源进行苯胺可持续N-甲基化过程中的催化效率。基于我们之前关于Ru-protic-NHC体系(Ru1-Ru7)的工作[[76], [77], [78]],合成了新的Ru8和Ru9复合物,并通过NMR和高分辨率质谱进行了全面表征。特别是protic-NHC复合物Ru8表现出增强的活性,这激发了我们在热法和微波辅助条件下对Ru1-Ru7的进一步催化筛选。比较研究表明,微波照射在温和条件下显著提高了反应效率和选择性,实现了几分钟内的快速且定量的N-甲基化。该方法具有广泛的底物适应性、优异的功能基团耐受性和克级可扩展性,突显了其合成实用性。详细的机理研究,结合对照实验、NMR和质谱分析,确定了通过Ru氢化物中间体实现的氢转移途径,其中甲醇同时作为甲基和氢的供体。这些发现共同强调了配体设计和微波辅助催化在实现高效、原子经济且环境友好的N-烷基化过程中的协同作用。

结果与讨论

我们团队先前开发的一系列含有不对称配体的钌复合物被系统地研究,以阐明它们的结构特征和在不同催化应用中的催化潜力[[76], [77], [78]]。作为我们设计高效均相催化剂工作的延续,我们重新评估了之前报道的Ru1-Ru7复合物(图2)[76,77],这些复合物表现出显著的活性

结论

总之,本研究评估了一系列含有经典和protic-N-杂环卡宾(pNHC)配体的不对称CNN基Ru(II)复合物,这些复合物利用甲醇作为可持续的C1原料选择性地对苯胺进行N-甲基化。通过对比分析基于苯并咪唑亚烯的(Ru1-Ru4)、基于三唑亚烯的(Ru5-Ru7)以及新合成的基于咪唑亚烯的复合物(Ru8和Ru9),发现protic-苯并咪唑亚烯复合物Ru1表现出

一般实验信息

所有复合物的合成实验和热辅助N-甲基化反应均在氮气气氛下使用标准Schlenk线技术进行。微波辅助反应在MilestoneStart S微波反应器中进行,该反应器配备了回流冷凝器、磁力搅拌器以实现连续搅拌,以及非接触式红外反馈系统以实现实时温度监测和精确的温度控制。

CRediT作者贡献声明

埃克塔·亚达夫(Ekta Yadav):撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析。阿切纳·萨哈(Achena Saha):数据分析。尚布·纳特(Shambhu Nath):撰写与编辑、数据分析。阿姆伦德拉·K·辛格(Amrendra K. Singh):撰写与编辑、监督、资源管理、项目协调、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

埃克塔·亚达夫(Ekta Yadav)和阿切纳·萨哈(Achena Saha)感谢印度理工学院印多尔分校提供的奖学金。SN感谢印度科学研究院(CSIR)提供的奖学金。作者还感谢印度理工学院印多尔分校的SIC以及化学系的DST-FIST 500 MHz NMR设施提供的表征支持。
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