利用仲氢探针揭示双镍二氢化物中氢交换机制：对称系统中的意外极化转移与信号增强

《Journal of the American Chemical Society》：Probing Hydrogen Activation in a Dimetal Dihydride Complex by Symmetric Exchange with Parahydrogen

这篇研究性论文（非综述）报道了一种在具有C2v对称性的双镍(II)二氢配合物中，利用仲氢(pH2)与核磁共振(NMR)结合，深入探究氢交换机制的工作。研究发现，尽管氢化物位点化学等价，却发生了核自旋单重态向同相纵向磁化的自发转化，并通过弛豫干扰机制（如DD-CSA）得到了解释。这项工作改进了在惰性条件下进行仲氢诱导极化(PHIP)实验的技术，并扩展了PHIP方法在对称分子体系催化机理研究中的应用，对理解氢化酶和固氮酶等生物酶的模型反应具有重要意义。

　　

引言

理解自然界中氢气的产生和氮气固定等基本化学过程，对于开发更高效、更具选择性的催化剂至关重要。这在有机金属和酶催化领域尤其如此，其中瞬态化学物种可能浓度很低，但仍然决定着反应路径和催化过程的选择性。使用主流分析方法直接观察和结构表征这些中间体非常困难。核磁共振(NMR)波谱学是一种流行技术，具有高度的化学选择性和提供结构信息的能力，但其灵敏度较低，常常难以检测低浓度的反应中间体。仲氢诱导极化(PHIP)是解决此问题的一种方法，它利用仲氢——分子氢的一种易于获得的核自旋异构体。仲氢中的两个质子彼此100%自旋极化，但总自旋为零，因此最初是NMR沉默的。需要化学操作来打破对称性，将相对自旋极化转化为比传统NMR强得多的可观测磁化强度。

目前PHIP方法学的主要工作集中在生物医学应用，如癌症成像、代谢组学，以及涉及氢激活的催化过程研究。即使PHIP现象的存在本身也具有信息性：反应机制必须保持两个质子在一起以保留它们的自旋关联。最近PHIP方法学的扩展使得在催化条件下研究氢化酶成为可能，从而表征了[Fe]-氢化酶催化循环中两个先前难以捉摸的中间体。这些金属酶参与H₂的激活与产生，可作为开发环保催化剂的蓝图。

本研究在此背景下，研究了双镍二氢配合物K[L(Ni^II–H)₂] (1H2)中的类似过程，该配合物可被视为上述酶反应的模型。已知该配合物会发生两个氢化物配体的置换，伴随着小分子的还原性结合及H₂的释放。H₂/D₂交换反应以成对同步的方式进行，没有H/D混杂。使用仲氢可能通过NMR信号增强来确认所提出的机制，并为离解交换途径提供证据。

然而，利用PHIP阐明1的H₂结合机制的困难在于，1H2中的两个氢化物占据着由镜面对称相关的化学等价位点。因此，在没有结构扰动的情况下，两个核自旋应保持单重态，使其在标准PHIP机制下呈现NMR沉默。但本研究证明，从初始仲氢单重态自旋有序到同相质子纵向磁化的自发极化转移确实发生了。这出乎意料，但可以通过考虑化学位移各向异性(CSA)和偶极-偶极(DD)耦合干扰效应的核自旋弛豫模型来解释。这种CSA-CSA和DD-CSA干扰机制绕过了对不对称中间体的经典要求。

结果

研究对空气和水分敏感的化合物需要在惰性气氛下操作。本研究开发并构建了一个在缺氧和干燥条件下运行的新型PASADENA装置。在氩气氛的手套箱中制备样品进行PHIP实验后，将样品架转移到磁体孔中。装置操作部分的气氛被反复抽空并用惰性气体（氮气）回填以确保排除空气和水分。之后打开通向样品架的阀门，开始实验。仲氢通过计算机控制的电磁阀自动或手动操作阀门引入样品。

考虑到1H2的分子对称性，我们观察到在氩气下向1H2样品中鼓泡通入仲氢后，¹H NMR谱中出现信号增强。在C_2v对称配合物1H2中，两个氢化物占据由镜面对称相关的化学等价位置。鼓泡前仅检测到少量水分解产物。这表明样品架在实验时间尺度上是气密的，非常适合用于高度敏感的化合物。即使在仲氢鼓泡10秒后，分解产物的量也只有轻微增加。鼓泡仲氢后，在1H2的THF-d₈溶液的NMR谱中，尽管氢原子占据化学等价位置，但在-24.1 ppm (I_PHIP/I_thermal= 9.2，极化度0.03%)和4.54 ppm处可见信号适度增强。前者信号归属于1H2的二氢化物位置，而后者的信号归属存在一些模糊性，将在下文讨论。

值得注意的是，两个信号都是纯粹的同相信号，而不是PASADENA条件下PHIP实验所预期的反相信号。为了强调图2中不存在经典的反相PASADENA信号，我们决定使用π/4脉冲进行检测，尽管π/2脉冲会对观察到的同相PHIP信号产生最高强度。为了验证这些信号源自1H2，在相同条件下使用一些分解产物进行了对照实验。分别在THF-d₈中独立制备了1OH和1O₂的NMR样品并在氩气下暴露于仲氢。鼓泡10秒并静置2秒后，采集π/4翻转角的¹H NMR谱。两个实验中均未检测到信号增强，证实1H2是产生信号增强的PHIP效应所必需的。

通过将PHIP技术与化学交换饱和转移(CEST)相结合，可以间接检测通过与更丰富物种进行化学交换而瞬态形成的物种。这种方法最近以极高的灵敏度揭示了氢化酶催化中的H₂结合状态。本文中，我们使用PHIP-CEST来确定4.54 ppm处信号的来源，并检验双镍二氢化物物种(-24.1 ppm)与自由氢之间存在化学交换的假设。在NMR谱的氢化物区域进行测试，以排除交换反应路径上可能存在中间体。当对某个物种的信号施加射频(RF)自旋锁定脉冲进行共振时，相应的NMR跃迁被饱和，信号被衰减。在CEST中，如果两个物种通过化学交换相关联，饱和可以从一个物种转移到另一个。在本研究体系中，4.54 ppm处的信号可归属于1H₂的β-酮亚胺配体骨架的亚甲基质子，或者是由与暂时结合到镍配合物上的仲氢交换而极化的自由H₂。为了证明4.54 ppm处的信号来自自由溶解的H₂，按照脉冲序列采集了24张π/4翻转角的¹H NMR谱。饱和辐照持续2秒，自旋锁定幅度为50 Hz，中心频率根据支持信息中给出的列表变化。因此，当在-24.1 ppm处进行辐照时，预计4.54 ppm处的二氢信号会减弱。通过绘制这些信号的积分相对于连续波(CW)辐照偏移的关系，获得了PHIP-CEST谱图。

讨论

当在氢化物位置进行辐照时，4.54 ppm处的信号强度急剧下降，反之亦然。这表明4.54 ppm处的信号属于自由氢，它是通过可逆的还原消除从1H₂中释放出来的，这与成对H₂/D₂交换的机制一致。在此过程中，仲氢可能与1H₂中的氢化物配体发生交换，在单重态-三重态转变后转化为正氢(oH₂)，并以极化状态通过还原消除释放，留下一个不饱和的配合物能够再次结合氢。

通常需要复杂的脉冲序列和化学转化来将核单重态有序转化为磁化强度，但这个过程也可以通过偶极-偶极/化学位移各向异性(DD-CSA)干扰机制自发发生，该机制打开了从单重态的纵向相关分量I_ZS_Z到纵向磁化状态I_Z和S_Z的交叉弛豫通道。当单重态的I_±S_?部分消失得足够快时，该机制变得显著。

在本例中，我们有一个双质子系统，具有J-耦合、偶极-偶极耦合以及两个不平行于自旋-自旋方向的化学位移张量。在强垂直磁场中，该哈密顿量的各向同性部分关于两个自旋的置换是对称的，因为这里ω_I= ω_S。单重态密度矩阵与此哈密顿量对易，因此无法演化。然而，两个塞曼张量Z_I,S仅通过镜面对称相关联——而非反演或置换对称，这意味着预计从单重态子空间会有弛豫泄漏。

对各向同性旋转扩散情况下的Bloch-Redfield-Wangsness弛豫超算符进行自动符号求值显示，从纯单重态到I_Z+ S_Z的交叉弛豫速率为零，但单重态的纵向和横向分量具有不同的弛豫速率。R[I₊S_–+ I_–S₊]中存在J(0)项意味着单重态的横向分量比纵向分量消失得更快。这打破了对称性锁定，并允许通过DD-CSA交叉相关以下列速率积累纵向磁化强度。这个过程可以通过Spinach轻松可视化，其Bloch-Redfield-Wangsness理论模块旨在自动解释所有已知和未知的所有阶次的Redfield型过程。

结论

我们观察到了C_2v对称双镍二氢配合物的仲氢诱导NMR信号增强，该配合物将挑战性底物的还原激活与H₂释放耦合，类似于固氮酶提出的机制。我们报道了一种能够在惰性条件下对敏感化合物进行PASADENA型PHIP实验的实验装置。

这种不寻常的核单重态有序向同相纵向磁化的自发相互转化，在表观上没有对称性破缺，可以通过一系列核自旋弛豫干扰效应来解释：首先，CSA-CSA交叉相关使得单重态的纵向和自旋翻转分量以不同速率弛豫，然后DD-CSA交叉相关将纵向双自旋有序转化为纵向磁化强度。纵向磁化的二氢的存在通过PHIP-CEST实验得到证实；未发现不对称中间体。

尽管一般而言不能排除顺磁性中间体的贡献，但没有直接证据表明存在此类贡献，因为DD-CSA交叉相关弛豫机制解释了我们的观察结果。类似于最近采用磷双自由基类似物进行的PHIP实验，假定的{LNi^I}中间体可能由于其单重态电子基态也不会干扰PHIP的产生。

我们的研究结果表明，仲氢技术可以应用于对称化合物，提高NMR灵敏度，并促进对称分子在催化和材料科学中的研究。该方法的进一步工作将有助于研究氢化酶以及可能的固氮酶及其合成模型系统中的氢结合中间体。