环烷基氨基烯烃（CAAOs）：合成、反应性及配位行为

《Organometallics》：Cyclic Alkyl Amino Olefins (CAAOs): Synthesis, Reactivity, and Coordination Behavior

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环烷基氨基烯烃（CAAOs）被引入作为一种独特的极性烯烃配体类别，其特征是具有饱和的环状氨基骨架。通过一种通用且高效的一锅法合成方法，可以从醛亚胺盐中以59–90%的产率获得一系列CAAOs。通过核磁共振（NMR）光谱和单晶X射线衍射进行结构表征，证实了它们是与N-杂环烯烃（NHOs）密切相关的极性C=C体系。结合实验和计算研究结果表明，CAAOs相对于NHOs表现出减弱的亲核性和碱性，同时具有增强的热稳定性和空气稳定性。配位研究表明，CAAOs作为电子给体η1-碳配体与过渡金属结合，其给体强度介于NHOs和N-杂环卡宾之间。总体而言，CAAOs代表了一种互补的配体平台，它平衡了显著的σ-给体特性、适度的碱性和提高的稳定性，为主族化学和过渡金属化学的应用提供了潜力。

1. 引言
均相催化的进步与具有明确空间和电子特性的亲核碳基配体（1-4）的发展密切相关。（5）其中，N-杂环烯烃（NHOs）（6）作为一种独特的极性烯烃类别脱颖而出，其外环C=C键赋予了显著的给体强度和异常的碱性。（7-9）实验（10）和计算研究（11）表明，它们强烈的亚胺电子结构使其能够作为有机催化中的中性超碱。（9,12,13）它们增强的给体能力有助于稳定缺电子的主族片段。（14,15）将NHO框架进一步多样化为介离子型（16-18）、非环状双（亚氨基）（19）和阴离子型变体（20,21），从而解锁了更强的给体特性和非传统的反应模式（图1）。除了其固有的碱性外，NHOs还被证明是过渡金属的有效辅助配体（22-24），通过外环极性C=C单元的配位可以实现强σ-给体和可调的金属-配体相互作用。这样的给体特性支持了包括无金属C-F活化（25）以及稳定高价过渡金属配合物（26）和表现出异常反应性的主族物种（27-29）的应用。（30-33）对NHO在金属表面结合的研究进一步突显了它们在界面和材料导向应用中的重要性。（34-36）

图1
图1. N-杂环烯烃的代表性结构。（A）通用NHOs。（B）介离子型NHOs。（C）两亲性亚氨基烯烃。（D）阴离子型NHOs及相关衍生物。（E）本工作：环烷基氨基烯烃（CAAOs）。

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尽管有上述进展，大多数NHOs仍来源于经典的N-杂环卡宾（37）骨架，而对骨架进行系统改造以产生非共轭的饱和类似物仍然相对较少探索。受此启发，我们将注意力转向了环烷基氨基烯烃（CAAOs），这是一种极性烯烃类别，其中电子释放单元嵌入在饱和的碳框架中。获得不对称（手性）的环烷基氨基卡宾（CAAc）（38-41）变体为手性配体开发提供了一个独特的平台，这是传统NHOs难以实现的。虽然之前已经确定CAAOs是CAAc支持的锌烷基复合物的分解产物（42），但据我们所知，尚未报道其可扩展的通用合成策略。在这里，我们报告了CAAOs的合成、结构表征和亲电反应性，确立了它们作为富含电子的烯烃配体的独特类别，在主族化学和过渡金属化学以及催化中具有广阔的应用潜力。

2. 结果与讨论
2.1. 环烷基氨基烯烃（CAAOs）的合成
类似于Ong的NHOs制备协议（43），通过醛亚胺盐1a和1b（44,45）与两当量的六甲基二硅氮化钾（KHMDS）进行一锅反应，随后加入相应烷基卤化物（2a和2b为甲基碘化物，2c和2d为苄基溴化物），以59–94%的产率获得了CAAOs 2a、2b、2c和2d（方案1）。用正己烷萃取并去除滤液中的挥发物后，CAAOs 2a、2b、2c和2d以白色固体的形式分离出来。

方案1. 一锅法合成环烷基氨基烯烃（CAAOs）2a–d

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所有四种CAAOs均通过溶液相NMR光谱和单晶X射线衍射进行了全面表征。在2a的1H NMR谱中，特征共振峰位于3.46和3.02 ppm处，归属于C=CH2片段；2b在3.48和3.08 ppm处观察到类似的信号。对于苄基亚胺CAAOs 2c和2d，烯烃共振峰分别出现在4.74和4.76 ppm。这些烯烃信号的向上位移与NHOs中观察到的信号一致，支持它们被归类为具有末端碳亲核性的极性烯烃体系。（8）在粗产品的1H NMR谱中未观察到其他异构体信号，表明只形成了单一的几何异构体。

CAAOs 2a、2b和2c的固态结构如图2所示。2a中的C1–C2键长为1.3370(17) ?，2b和2c的相应值分别为1.3295(17) ?和1.3427(16) ?。CAAOs中的N–C–C键角分别为2a的126.16(11)°、2b的125.55(11)°和2c的123.38(10)°，表明这些体系中的氮原子接近平面几何结构。这些值以及相应的键长与已知的N-杂环烯烃（1.3489(18)?和128.0(3)°）相当（7），支持将CAAOs归类为极性烯烃体系。对于2c，观察到E-几何构型，这可能是由于苯基取代基和庞大的Dipp基团之间的空间排斥最小化所致。值得注意的是，所有三种CAAOs在室温条件下都表现出良好的稳定性。例如，将CAAOs 2a和2b在空气中储存一周后，通过1H NMR光谱确认没有可检测的变化（支持信息中的图S69和S70）。

图2
图2. CAAOs 2a（左）、2b（中）和2c（右）的固态结构。热椭球体以30%的概率水平显示。为了清晰起见，省略了所有氢原子，除了位于烯烃单元外位的氢原子。2a的选定键距（?）和键角（°）：N1–C17：1.3840(14)；C17–C18：1.3370(17)；N1–C17–C18：126.16(11)。2b：N1–C2：1.3776(15)；C2–C13：1.3295(17)；N1–C2–C13：125.55(11)。2c：N1–C1：1.3887(14)；C1–C2：1.3427(16)；N1–C1–C2：123.38(10）。

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2.2. CAAOs的反应性
为了评估CAAOs与NHOs的反应性，对其进行了不同亲电试剂的测试（方案2）。CAAOs 2a、2b和2d只能通过与高亲电性的甲基三氟甲酸酯反应，生成乙基取代的醛亚胺盐3a、3b和3c（3a和3b的固态结构如图3所示），产率为38–76%。相比之下，即使在强制条件下（70 °C在甲苯中12小时），也与甲基碘化物没有反应，这突显了CAAOs相对于NHOs较低的亲核性，后者通常容易与烷基卤化物发生烷基化反应。（16,46）在质子化反应中也观察到了类似的趋势。在加热条件下（50 °C在Et2O中过夜），用盐酸处理CAAOs 2a–d，获得了甲基取代的醛亚胺盐4a、4b、4c和4d，以氯化物或HCl2–盐的形式存在（4a的固态结构如图2所示），产率为70–75%。CAAOs暴露于D2O时，发生了有效的氢-氘交换，但没有烯烃单元的质子化，生成了氘代衍生物（2a–d2、2b–d2、2c–d和2d–d），掺入水平在50%到98%之间。这种行为与NHOs形成鲜明对比，后者在潮湿环境中容易分解形成咪唑盐。（30-33）观察到的稳定性表明CAAOs的碱性显著减弱。使用两步程序（首先用I2处理，然后用KHMDS脱质子化），可以分别以83%和67%的产率制备碘化的CAAOs 5a和5b（方案2），如Rivard所报道。（20）淡黄色的CAAOs 5a和5b比碘化的NHOs更稳定，因为它们在室温下长时间储存时即使在没有光保护的情况下也不会分解。

图3
图3. 3a、3b、4a、5a、6a、6b、7a和7b的固态结构，热椭球体以30%的概率水平显示。为了清晰起见，省略了所有外环烯烃单元上的氢原子。3a、3b、5a、6a、6b、7a中的侧链Dipp环和6a及6b中的苯环以线框形式显示。3a的选定键距（?）和键角（°）：N1–C3：1.283(4)；C3–C2：1.487(4)；C2–C1：1.531(5)；N1–C3–C2：122.3(3)。3b：N1–C3：1.278(4)；C3–C2：1.474(4)；C2–C1：1.518(5)；N1–C3–C2：122.9(3)。4a：N1–C13：1.290(3)；C13–C17：1.478(3)；N1–C13–C17：123.93(19)。5a：N1–C14：1.392(5)；C1–C2：1.336(6)；C1–I1：2.088(4)；N1–C2–C1：120.9(4)。6a：N1–C13：1.3526(18)；C13–C17：1.368(2)；C17–P1：1.7458(15)；N1–C13–C17：122.32(13)。6b：N6–C5：1.359(2)；C5–C4：1.367(2)；C4–P1：1.7559(17)；N6–C5–C4：122.60(15)。7a：N1–C14：1.381(3)；C14–C22：1.352(3)；C22–P23：1.801(2)；N1–C14–C22：123.4(2)。7b：N1–C2：1.359(2)；C2–C13：1.351(2)；C13–P14：1.7994(16)；N1–C2–C13：122.87(15)。

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2.3. CAAOs与不同亲电试剂的反应性
CAAOs与不同亲电试剂的反应性研究表明，它们与NHOs相比具有不同的反应性（方案2）。CAAOs 2a、2b和2d只能与高亲电性的甲基三氟甲酸酯反应，生成乙基取代的醛亚胺盐3a、3b和3c（3a和3b的固态结构如图3所示），产率为38–76%。相比之下，即使在强制条件下（70 °C在甲苯中12小时），也与甲基碘化物没有反应，这突显了CAAOs相对于NHOs较低的亲核性，后者通常容易与烷基卤化物发生烷基化反应。（16,46）在质子化反应中也观察到了类似的趋势。在加热条件下（50 °C在Et2O中过夜），用盐酸处理CAAOs 2a–d，获得了甲基取代的醛亚胺盐4a、4b、4c和4d，以氯化物或HCl2–盐的形式存在（4a的固态结构如图2所示），产率为70–75%。CAAOs暴露于D2O时，发生了高效的氢-氘交换，但没有烯烃单元的质子化，生成了氘代衍生物（2a–d2、2b–d2、2c–d和2d–d），掺入水平在50%到98%之间。这种行为与NHOs形成鲜明对比，后者在潮湿环境中容易分解形成咪唑盐。使用两步程序（首先用I2处理，然后用KHMDS脱质子化），可以分别以83%和67%的产率制备碘化的CAAOs 5a和5b（方案2），如Rivard所报道。（20）淡黄色的CAAOs 5a和5b比碘化的NHOs更稳定，因为它们在室温下长时间储存时即使在没有光保护的情况下也不会分解。

图3
图3. 3a、3b、4a、5a、6a、6b、7a和7b的固态结构，热椭球体以30%的概率水平显示。为了清晰起见，省略了所有外环烯烃单元上的氢原子。3a、3b、5a、6a、6b、7a中的侧链Dipp环和6a及6b中的苯环以线框形式显示。3a的选定键距（?）和键角（°）：N1–C3：1.283(4)；C3–C2：1.487(4)；C2–C1：1.531(5)；N1–C3–C2：122.3(3)。3b：N1–C3：1.278(4)；C3–C2：1.474(4)；C2–C1：1.518(5)；N1–C3–C2：122.9(3)。4a：N1–C13：1.290(3)；C13–C17：1.478(3)；N1–C13–C17：123.93(19)。5a：N1–C14：1.392(5)；C1–C2：1.336(6)；C1–I1：2.088(4)；N1–C2–C1：120.9(4)。6a：N1–C13：1.3526(18)；C13–C17：1.368(2)；C17–P1：1.7458(15)；N1–C13–C17：122.32(13)。6b：N6–C5：1.359(2)；C5–C4：1.367(2)；C4–P1：1.7559(17)；N6–C5–C4：122.60(15)。7a：N1–C14：1.381(3)；C14–C22：1.352(3)；C22–P23：1.801(2)；N1–C14–C22：123.4(2)。7b：N1–C2：1.359(2)；C2–C13：1.351(2)；C13–P14：1.7994(16)；N1–C2–C13：122.87(15)。

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两当量的CAAOs与二苯基磷氯（Ph2PCl）反应，生成了相应的环烷基氨基乙烯基（CAAV）膦6a和6b，以白色固体的形式获得，产率良好（6a为99%；6b为97%），同时主要副产物为醛亚胺盐1a和1b。相比之下，CAAOs对其他二烷基氯膦不反应。当使用三氯化磷（PCl3）代替Ph2PCl时，也获得了类似的CAAV膦7a和7b，以白色固体的形式获得，产率优异（7a为97%；7b为92%）。6a、6b、7a和7b的31P{1H} NMR谱各自显示了一个主要共振峰，分别位于?25.4、?27.3、181.1和181.4 ppm。这种反应性与Ghadwal小组报道的NHO类似物的反应性不同，后者使用了三乙胺和1,4-二氮杂[2.2.2]辛烷等外部路易斯碱作为脱氯化剂，生成具有C2P2环结构的N-杂环乙烯基膦（47,48）。通过缓慢冷却其浓缩的n-己烷溶液获得了所有四种CAAV膦的单晶，并通过单晶X射线衍射进行了表征，其固态结构如图3所示。所有化合物都采用E-几何构型，其中庞大的二异丙基苯基取代基远离膦部分，从而最小化了空间排斥。值得注意的是，即使延长反应时间或加热，PCl3与过量的CAAOs反应也主要生成6a和6b。在所检查的条件下，仅检测到微量的双(CAAV)膦氯化物（见支持信息中的图S71）。

2.3. CAAOs与主族元素和过渡金属的配位行为
尝试将CAAOs 2a和2b与溴化铝在乙醚中配位，但没有得到预期的路易斯酸-碱加合物或铝阳离子复合物。（49）结合1H和13C NMR光谱数据以及SC-XRD分析，确认产物是带有四溴铝酸盐反离子的醛亚胺盐8a和8b（方案3）。这一结果可能是由于最初形成的路易斯酸-碱加合物的不稳定性，随后发生了配体重排反应。在此过程中生成的其他副产物在此阶段无法识别或分离。相比之下，CAAOs 2a–b对其他主族物种（如三甲基铝或三(五氟苯)硼烷）的配位不活泼，即使在强制条件下（70 °C在THF中或100 °C在甲苯中过夜）。

方案3
方案3. 试图合成CAAO铝复合物的失败尝试

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因此，尝试了CAAOs与过渡金属的配位（方案4）。将2a和2b与[Rh(CO)2Cl]2处理，获得了相应的铑复合物9a和9b，以橙色粉末的形式获得，产率适中。通过从乙醚中缓慢重结晶并在?35 °C下几天后快速测量，获得了热敏感的橙色晶体9a和9b（方案4）。9a和9b的固态结构如图4所示。9a和9b中的C–Rh键长（9a：1.3489(18) ?和9b：1.3489(18) ?）与Rivard报道的NHO铑复合物的键长相似。（7）将晶体样品长时间暴露在真空中会导致逐渐转化为棕色油状物质，由多种分解产物组成。在溶液中，9a和9b在室温下2小时内完全分解，形成绿色黑色沉淀物，无法获得可靠的13C{1H} NMR数据。重新结晶的9a和9b的ATR-IR光谱显示νavg(CO)值分别为2023 cm–1和2021 cm–1。这些数值表明，CAAOs的电子给予能力略低于NHOs（NHO Rh复合物的νavg(CO)为2005.5–2012.5 cm–1），但高于典型的NHCs（NHC Rh复合物的νavg(CO)为2031 cm–1）和膦类化合物（R3P Rh复合物的νavg(CO)为2040–2060 cm–1）。然而，研究发现CAAO 2a和2b与氯化金(I)二甲基硫化物复合物没有反应活性，即使在甲苯中加热12小时也未观察到任何反应或分解现象，而CAAV膦类化合物6a和6b则能顺利与金(I)配位，分别生成相应的膦键合金复合物10a和10b。图4展示了CAAOs和CAAV膦类化合物与铑和金复合物的配位行为。高分辨率图像可下载MS PowerPoint幻灯片。

9a、9b、10a和10b的固态结构以30%的概率水平显示了热椭球体。为了清晰起见，省略了所有氢原子（环外烯烃单元上的氢原子除外）。9a、9b、10a和10b中的侧链芳香环以线框形式表示。部分键长（?）和键角（°）如下：9a：Rh1–C3：2.179(2)；N1–C4：1.325(2)；C4–C3：1.411(3)；N1–C4–C3：124.79(17)；C4–C3–Rh1：119.94(14)；9b：Rh1–C3：2.184(2)；N1–C4：1.317(3)；C4–C3：1.423(3)；N1–C4–C3：125.04(19)；C4–C3–Rh1：118.18(14)；10a：Au1–P1：2.2459(8)；C1–P1：1.766(3)；N1–C2：1.358(4)；C2–C1：1.365(4)；P1–Au1–Cl1：174.36(3)；N1–C2–C1：122.0(3)；P1–C2–C1：132.5(2)；10b：Au1–P1：2.2411(7)；C1–P1：1.768(3)；N1–C2：1.366(3)；C2–C1：1.365(4)；P1–Au1–Cl1：175.70(3)；N1–C2–C1：121.7(2)；P1–C2–C1：131.9(2)。

DFT计算（ORCA 6.1.0软件包，气相，B3LYP-D4/def2-TZVPP理论水平）（50?64）表明，CAAO 2a的电子结构与经典NHOs略有不同。CAAO 2a的HOMO能级低于DippNHO，这表明其亲核性较低，如图4所示（其他分子轨道详见支持信息中的S90）。与此趋势一致，CAAO的计算质子亲和力（249 kcal/mol）也低于DippNHO（268 kcal/mol），并且低于NHOs通常报告的范围（262–296 kcal/mol）。这些结果支持CAAOs的碱性低于经典NHOs的结论，但仍具有足够的碱性，可以作为强有机碱使用。

计算结果与实验结果一致。实际上，CAAO 2a与质子化的DippNHO之间没有反应，而DippNHO可以容易地使质子化的CAAO 4a脱质子，如方案5所示。这种反应性趋势进一步证实了CAAOs相对于NHOs具有较低的亲核性和碱性。在THF中与TBD、DBU和三乙胺进行的竞争实验表明，CAAO的共轭酸在THF中的pKa值约为18.9 ± 1.8。

结合自然轨道的EDA-NOCV方法（67?70）的能量分解分析被用来研究(CAAO)RhCl(CO)2复合物9a的相互作用，计算使用了r2SCAN-3c复合电子结构方法（71）。CAAO 2a与RhCl(CO)2片段之间的键合总稳定能为ΔEint = ?48.30 kcal mol–1（详见支持信息中的表S20）。NOCV分析显示，这种键合主要由一个主要轨道相互作用主导。最大的贡献ΔEorb(1) = ?43.66 kcal mol–1，占总轨道稳定性的75.4%，归因于CAAO对Rh的σ-电子给予。其余轨道项的贡献较小，ΔEorb(2) = ?3.97 kcal mol–1，ΔEorb(3) = ?1.68 kcal mol–1，ΔEorb(4) = ?1.17 kcal mol–1，表明只有微弱的反向电子给予作用。总体而言，Rh-CAAO键主要表现为σ-电子给予作用，而π-反向电子给予的贡献有限，这与NHO rhodium复合物的情况类似（详见支持信息中的表S20和图S93）。

总之，我们报道了一种直接且高产的方法，可以从相应的醛亚胺盐合成多种环状烷基氨基烯烃（CAAOs）。通过反应性研究阐明了CAAOs的基本性质，发现它们的反应性和碱性较低，质子亲和力也较低，但在常温条件下比N-杂环烯烃（NHOs）更稳定。此外，与过渡金属的配位研究表明，CAAOs的行为类似于NHOs，可作为强σ-电子给予的η1-ylidic碳型配体。我们实验室未来的工作将集中在使用CAAOs作为主族元素和过渡金属的辅助配体，相关研究正在进行中。