侯召民、亢小辉团队JACS：吡啶脱氮缩环构筑环戊二烯基骨架

学术 2024-11-10 09:26 浙江

芳香含氮杂环化合物（如吡啶）的加氢脱氮（HDN）是工业石油精炼中去除原油中含氮杂质的关键过程。然而，由于这些化合物的高稳定性，打破C−N键，去除含氮杂环中的氮原子非常困难。工业HDN过程只能在苛刻条件下（300−500 °C和200 atm的氢气压力）使用多组分固体催化剂（如NiMo/Al₂O₃和CoMo/Al₂O₃）完成。由于催化剂的复杂性，相关的机理细节仍不清楚。

为了在分子层面更好地理解HDN过程，促进高效、高选择性催化剂的设计，人们对各种与HDN催化物种相关的过渡金属配合物与芳香含氮杂环化合物的反应进行了深入研究。结果表明，虽然芳香含氮杂环能够以不同配位方式与过渡金属键合，但很少发生C−N键的断裂。当与强还原剂或强碱结合时，一些过渡金属配合物能够断裂吡啶骨架中的其中一个C−N键得到开环产物。同时断裂两个C−N键，成功移除氮原子仍存在巨大的挑战。

金属氢物种是工业HDN过程中的关键活性物种，对多金属氢化物与芳香含氮杂环的反应进行研究尤为重要。日本理化学研究所（RIKEN）侯召民教授团队长期致力于多金属氢化物促进的小分子活化与转化研究，取得了系列创新成果(部分代表性成果见Nature 2024, 632, 307; Nature 2014, 512, 413; Science 2013, 340, 1549）。近日，他们与大连医科大学亢小辉教授合作在多金属氢化物对吡啶的活化与转化方面取得新进展，首次实现了吡啶直接脱氮缩环构筑环戊二烯基物种。该工作代表了芳香含氮杂环骨架编辑的一个全新反应模式，为芳香含氮杂环的HDN机制提供了新见解。简述工作内容如下。

如图1所示，作者首先合成了刚性PNP钳形配体配位的双核钛氢簇合物1。其能够在室温条件下高效活化吡啶生成环戊二烯基/氮化物2。该反应首次实现了吡啶氮原子的选择性移除，形成环戊二烯基结构单元。

图1.双核钛氢簇合物1与吡啶的脱氮缩环反应生成环戊二烯基/氮化物2

通过研究取代基及其位置对吡啶骨架脱氮缩环反应的影响，作者发现邻、间、对-甲基取代的吡啶均可与钛氢簇合物1反应生成相同的缩环产物——甲基环戊二烯基/氮化物3（图2）。

图2.双核钛氢簇合物1与甲基吡啶的脱氮缩环反应生成环戊二烯基/氮化物3

另外，2,4-或3,5-二甲基吡啶在加热条件下也可与1反应高产率获得1,3-二甲基环戊二烯基氮化物5。值得指出的是，通过降低反应温度或控制反应时间，作者成功分离到了吡啶脱氮缩环反应的两个关键反应中间体——吡啶部分还原产物4和吡啶开环产物6（图3）。

图3.双核钛氢簇合物1与二甲基吡啶的反应

基于上述实验结果，作者通过密度泛函理论（DFT）计算明确了钛氢簇合物1促进吡啶脱氮缩环反应的机理。结果显示，反应经历了吡啶单元配位，氢气释放，C=N键还原，两次C−N键断裂（开环和脱氮），以及C−C偶联（环闭合）等过程（图4）。值得注意的是，在反应后期，PNP配体异丙基的C−H键活化及脱氢反应显著增强了脱氮缩环产物的稳定性。

图4. 双核钛氢簇合物1与2,4-二甲基吡啶的反应机理能量图

综上，作者利用双核钛氢簇合物1与吡啶及取代吡啶的反应，首次实现了吡啶环直接脱氮缩环构筑环戊二烯基物种。并通过关键反应中间体的分离和DFT计算研究阐明了反应的机理。这项工作不仅为芳香含氮杂环的HDN机制提供了新见解，还为含氮杂环的骨架编辑提供了全新的方案。

该成果近期以“Denitrogenative Ring-Contraction of Pyridines to a Cyclopentadienyl Skeleton at a Dititanium Hydride Framework”为题发表在国际学术期刊J. Am. Chem. Soc.上 (DOI: 10.1021/jacs.4c13439)。第一作者为日本理化学研究所基础科学特别研究员（SPDR）周小茜博士，侯召民教授、亢小辉教授(理论计算)和Takanori Shima研究员为共同通讯作者。日本理化学研究所研究员卓庆德博士参与了该工作。

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