印度科学教育与研究学院ACS Catal. | 穆斯堡尔谱确定 Fe(III) 催化体系中配体骨架参与氧化还原反应

文摘   科学   2024-10-11 09:00   辽宁  

近日,印度科学教育与研究学院莫哈里分院曼努阿利副教授课题组在ACS Catalysis上报道了题为“Exclusively Ligand-Redox-Promoted C–H TertiaryAlkylation of Heteroarenes”的最新研究成果。
研究内容

催化过程在很大程度上受配体氧化还原作用的控制,最近的研究表明,配体与三维金属间的复杂相互作用可以有效解决一些具有挑战性的化学/电化学过程。因此有必要确定可直接参与氧化还原反应的配体骨架,从而模拟贵金属的反应机制。其中了解铁的氧化态对于控制反应过程至关重要,因为转变为redox noninnocent配体往往会改变铁的自旋态,进而改变催化过程的进行。在本文中,研究者报道了一种与Fe配位的具有redox noninnocent性的formazanate配体,其中的配合物能够促进自由基化学实现杂芳烃的碳氢叔烷基化。在少量的催化剂负载下,已被用于多种的化学转化。通过Mössbauer和电子顺磁共振(EPR)光谱分析,证明了formazanate配体有助于单电子转移,并在整个催化循环中很大程度上保持了铁(III)的氧化态。

本文要点
本文报道了一种基于配体氧化还原的 Fe(III) 催化体系,用于异芳烃和苯乙烯的 C-H 三级烷基化反应。该催化体系中配体骨架的电子转移能力使得催化剂能够在 C-Br 键的还原断裂过程中提供电子,从而实现 C-H 烷基化反应。以下是穆斯堡尔谱得到的主要信息:

要点1.确定初始络合物中Fe的氧化态和配位环境:选择1,5-bis(2-hydroxyphenyl)-3-phenylformazan (L)作为配体以提供四齿配位并与Fe(III)配位,使用NaH对配体骨架进行去质子化处理,随后在THF中与FeCl3反应完成配位。为确定所得络合物的铁氧化态,在20 K下 ,通过零场Mössbauer光谱分析固体样品。实验数据显示,两个主要Mössbauer亚光谱的比例接近1:1(1a:1b)。两个亚光谱的异构体位移(δ)与四极分裂(ΔEQ)值分别为0.59 mm/s , 0.85 mm/s (1a);和 0.32 mm/s ,ΔEQ 为0.85 mm/s (1b)。1a表明高自旋(HS) Fe(III)分子被捕获在伪八面体配体环境中 , 其相对较小的四极分裂参数表明了一种类似于s = 5/2自旋态的相对对称环境。与1a相比,1b的同分异构体位移的变化表明固体状态下存在另一种HS Fe(III)( s = 5/2)。第二种较低的δ值表明铁仍然处于强结合的配体环境中,这暗示络合物中保留了氯配体。

要点2. 证明配体的氧化和Fe中心氧化态的保持:用AgOTf对上一步中络合物进行化学氧化得到氧化产物,并使用Mössbauer光谱分析氧化产物中Fe中心的氧化态和配位环境,同样得到了两个亚光谱(2a , 2b), 同分异构体位移和四极分裂分别为0.66 mm/s δ), 1.02 mm/s ΔEQ(2a); 0.42 mm/s δ)和0.98 mm/s ΔEQ(2b)。其中2a同分异构体位移值的微小变化表明铁的氧化态保持不变,这证明了在单电子转移过程中formazanate主链的氧化。在氧化处理的样品中,两个亚光谱呈现3:2的比例,这表明氧化后两种HS铁的相对比例可能发生了变化。氧化物种(2a和2b)中较高的四极分裂值表明系统电子环境的不对称性增加。

小结

本研究开发了一种基于formazanate配体的铁催化C-H三级烷基化反应,通过配体的氧化还原活性实现了高效的催化转化。Formazanate配体能够介导单电子转移,保持铁的+3氧化态,并在催化循环中发挥关键作用。该催化体系展现出高效率、环境友好和原子经济的特性,为构建杂环化合物和苯乙烯提供了一种新颖且实用的方法。此外,该研究也为探索配体氧化还原活性在过渡金属催化中的应用提供了新的思路,并为formazanate配体的进一步研究和开发指明了方向。


参考文献:

Singh, V., Kundu, A., Weisser, K., Hazari, A. S., & Adhikari, D. (2024). Exclusively Ligand-Redox-Promoted C–H Tertiary Alkylation of Heteroarenes. ACS Catalysis, 14(11), 8939–8948.

文章链接:
https://doi.org/10.1021/acscatal.4c01388

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