三唑亚基稳定的异常氮杂环卡宾–膦（aNHC–P）钌（II）配合物：电子效应及在转移氢化（transfer hydrogenation）中的高活性

《Journal of Catalysis》：Triazolylidene-stabilized aNHC–P Ru(II) complexes: electronic effects and high activity in transfer hydrogenation

　　

研究人员报道了均相转移氢化（transfer hydrogenation, TH）作为羰基化合物催化还原的高效、原子经济策略日益受到关注。在最具活性的体系中，异常氮杂环卡宾–膦（abnormal N-heterocyclic carbene–phosphine, aNHC–P）钌（II）配合物[Ru(OAc)(aNHC–PC)2]Br在苯乙酮的TH中表现出优异活性。然而，在强碱性条件下观察到碱诱导的NHC异构化路径，可能成为失活途径。为解决此局限，研究人员设计了两种不同异常氮杂环卡宾–膦钌（II）配合物，均旨在抑制失活路径同时保持高催化性能：通过封锁正常卡宾位点（C2位甲基化）或将咪唑亚基骨架替换为1,2,3-三唑亚基（triazolylidene），可调控双功能配体框架的电子性质，并在催化条件下抑制异构化路径。结构与计算数据支持三唑亚基配合物具有独特的电子特征，表现为σ给电子性降低、Ru→卡宾/环反向π反馈（π-backbonding）增强。在苯乙酮的TH中，该配合物TOF（turnover frequency）可达1.1×106h?1，超过基准钌（II） NHC催化剂，且在强碱性条件（NaOiPr）下保持优异稳定性。结果表明，电子优化的aNHC–P配体特别是三唑亚基为钌（II） TH催化提供了稳健且高活性的平台。

研究背景：均相转移氢化（transfer hydrogenation, TH）是羰基化合物催化还原的重要方法，具有原子经济性、条件温和、安全性好等优点，常用氢供体如异丙醇（iPrOH）可实现羰基到醇的高效转化。钌（II）配合物因稳定性好、活性高而成为TH研究热点，其中异常氮杂环卡宾（abnormal N-heterocyclic carbene, aNHC）与膦（phosphine, P）组成的双功能配体aNHC–P钌（II）体系表现出突出活性，如前期开发的[Ru(OAc)(aNHC–PC)₂]Br（配合物1）对苯乙酮TH的TOF_50%可达6.0×10⁵h^?1。但目前存在问题是，在强碱（如NaOiPr）条件下会发生碱诱导的aNHC由异常配位异构化为正常配位，并伴随二氢化物失活物种生成，限制其实际应用。此外，正常位点（C2位NCHN）在碱作用下易去质子化，也可能参与失活路径。因此有必要设计改良的aNHC–P钌（II）配合物，既抑制异构化失活，又保持高TH活性。本研究由Johannes Mayr、Melanie E. Hoffmann、Michael J. Sauer、Alexander D. B?th、Fritz E. Kühn等开展，合成了两种新型aNHC–P钌（II）配合物：配合物2为在咪唑亚基C2位甲基化封锁正常卡宾位点（N(CMe)N-咪唑亚基），配合物3为用1,2,3-三唑亚基（triazolylidene）替换咪唑亚基骨架。通过结构表征、理论计算、电子分析、催化评价、碱稳定性实验、氘代标记等研究，得出三唑亚基配合物3具有较低σ给电子性但较强Ru→卡宾/环π反向反馈，在TH中活性超过基准配合物1，TOF可达1.1×10⁶h^?1，且对碱诱导失活更稳定；C2甲基化配合物2虽提高碱稳定性但催化活性相对较低，需更长活化时间。该研究的意义在于揭示aNHC配体骨架电子调控（σ给电子性与π受电子性平衡）对钌（II） TH催化的关键作用，证明三唑亚基这一介离子（mesoionic）骨架可提供优化的电子环境，为设计高性能TH催化剂提供新思路。论文发表在《Journal of Catalysis》。

主要关键技术方法：研究人员采用有机合成方法制备配体前体（溴化氢盐形式L₂·HBr、L₃·HBr），包括咪唑C2甲基化、铜催化叠氮–炔环加成（CuAAC）构建三唑、烷基化、溴化、二苯基膦亲核取代等步骤；配合物合成采用乙酸钌前体[Ru(OAc)₂(PPh₃)₂与配体前体在醋酸钠存在下一步组装得到目标aNHC–P钌（II）乙酸根配合物2和3；采用核磁（¹H、¹³C、³¹P NMR）、高分辨液态注入场解吸电离质谱（LIFDI-MS）、电喷雾电离质谱（ESI-MS）、元素分析、单晶X射线衍射（SC-XRD）进行结构表征；通过密度泛函理论（DFT）优化几何、埋体体积（buried volume）分析、自然布居分析（NPA）、自然键轨道E(2)分析考察电子结构；催化TH在异丙醇中以NaOiPr为碱、苯乙酮等为底物，用气相色谱（GC）定量转化率和TOF计算；碱预处理稳定性实验通过不同时间碱孵育后加底物评价活性变化；氘代标记实验在iPrOH-d₈与NaOiPr-d₇中进行，用¹H NMR监测H/D交换与C–H活化。

研究结果：2.1. Synthesis and characterization of the ruthenium(II) complexes 2 and 3（钌（II）配合物2和3的合成与表征）：研究人员通过修饰配体前体合成路线，获得C2甲基化咪唑基配体前体L₂·HBr和三唑基配体前体L₃·HBr（后者为首个基于1,2,3-三唑鎓的双齿aNHC–P配体前体）。与[Ru(OAc)₂(PPh₃)₂在醋酸钠存在下于60–80℃一步反应生成配合物2（产率12%，需用四氢呋喃溶解后分步沉淀纯化）和配合物3（产率77%，在甲苯中析出纯化）。NMR显示³¹P化学位移接近配合物1（2为56.9 ppm，3为54.2 ppm，1为56.6 ppm），¹³C卡宾碳信号为三重峰（2为163.3 ppm，²J_C–P=12.6 Hz；3为173.8 ppm，²J_C–P=11.8 Hz；1为165.3 ppm），SC-XRD和DFT表明3的Ru–C键稍短于2，证实电子差异。

2.2. Steric and electronic structure analysis（立体与电子结构分析）：埋体体积分析显示配合物1–3立体环境几乎相同（3.5 ?半径下均为79.9%），立体效应对催化性能影响可忽略。电子性质上，定性σ给电子性顺序为2?1>3（三唑亚基σ给电子性较弱），但涉及π反向反馈的参数显示相反趋势（3>1>2）：SC-XRD/DFT中3的Ru–C键较短，NPA电荷显示3卡宾碳亲电性略高（+0.099 vs +0.091/0.092）、Ru中心电子密度略高（-0.945 vs -0.941），NBO E(2)分析显示当考虑整个杂环框架的π受体相互作用时，3的总Ru→(卡宾+环)π反向反馈能量（34.4 kcal mol^?1）明显大于1（31.4）和2（31.6），表明三唑亚基介离子骨架提供更扩展的π受体通道。说明电子差异是σ给电子减弱与π反向反馈增强的平衡，不能用单一参数描述。

2.3. Catalytic transfer hydrogenation（催化转移氢化）：以苯乙酮为模型底物、iPrOH为溶剂和氢供体、NaOiPr（2 mol%）为碱，S/C=10 000。70℃时1的TOF_50%=7.7×10⁴h^?1（有~1 min诱导期），3达2.0×10⁵h^?1（无诱导期），2几乎无活性；80℃时1为1.6×10⁵，3为3.9×10⁵，2为6.9×10⁴；回流（~100℃）时3的TOF_50%=1.1×10⁶h^?1（1 min内99%转化），1为4.1×10⁵，2为1.6×10⁵。高温下2活性接近1和3但仍偏低，且2活性对温度依赖性更强。底物拓展（3，80℃，S/C=10 000）显示二芳基酮（二苯甲酮）20 min内99%转化；对位氟/甲氧基苯乙酮60 min转化87%/93%；2-乙酰萘61%；环己酮88%；频哪酮（叔丁基甲基酮）仅22%（位阻大）；2-乙酰吡啶17%（可能的吡啶配位干扰）。活性顺序3>1>2与电子分析中π反向反馈增强、σ给电子适度降低的特征吻合。

2.4. Deuterium-labeling experiments（氘代标记实验）：配合物1在NaOiPr/iPrOH-d₈中室温下即发生NCHN质子H/D交换，80℃时邻位苯基H完全氘代，表明去质子化和可能的金属–芳基C–H活化。配合物3在相同条件下无N–C–CH–N剩余质子（三唑环无C2–H，只有N–C–CH–N一个H）及邻位苯基的H/D交换，说明三唑亚基无C2–H故不能去质子化，且金属–芳基C–H活化路径不可及，证实其碱稳定性结构根源，也表明C–H活化/阴离子NHC不是高活性的必要因素。

讨论与结论总结：研究人员总结认为，靶向修饰配体设计显著影响催化剂活化与稳定性的平衡。封锁正常卡宾位点（C2–Me）或改用三唑亚基均可有效抑制碱诱导的aNHC正常异构化失活，提高强碱下稳健性。电子分析表明三唑亚基配合物3具有较低σ给电子性与增强的Ru→卡宾/环π反向反馈，这种电子平衡优化钌中心电子柔性，利于TH循环。配合物3是首例三唑亚基aNHC–P钌（II）催化剂，在TH中TOF可达1.1×10⁶h^?1，超过此前基准aNHC–咪唑体系，且碱稳定性更好。研究强调异常NHC特别是三唑亚基的电子特性（介离子骨架、适中σ给电子、强π受电子）对钌（II） TH催化的关键作用，为设计高性能催化剂提供重要依据。