研究论文介绍

JACS: 氢化锂介导苯胺碳氮键氢解

作者:石油醚

导读

近日,中国科学院大连化学物理研究所陈萍、郭建平研究团队与厦门大学吴安安副教授合作报道了氢化锂(LiH)介导苯胺碳氮键(C-N)氢解生成苯和氨的化学链过程(J. Am. Chem. Soc. 2022)。在该化学链脱氮过程中苯是唯一有机产物,这与常规过渡金属多相催化剂上以芳环饱和加氢产物为主的实验现象有着显著不同。为解释这一现象,研究人员提出了负氢(Hˉ)亲核进攻苯环诱导芳基C-N键断裂的反应机制。

 “Transition Metal-Free Hydrogenolysis of Anilines to Arenes Mediated by Lithium Hydride.

Yongli Cai, Wei Liu, Yang Yu, Ligao Liu, Qijun Pei, Han Wu, Teng He, Jianping Guo*, Anan Wu*, and Ping Chen*

J. Am. Chem. Soc. 2022,ASAP. doi:10.1021/jacs.2c05586.”

 

正文

碳氮键(C-N)广泛存在于有机及生物大分子中,其活化与断裂是非常重要的化学反应过程。其中,有机芳香胺化合物中C-N键能较高,反应活性较低,且胺基基团离去能力较差,实现在温和条件下C-N键的高效活化与转化,在多相和均相研究领域都是非常具有挑战性的课题。目前,实现C-N键活化通常依赖于过渡金属元素(图1a, 1b)。如在含氮有机物加氢脱氮多相催化反应中,研究较多的主要是CoMo、NiMo硫化物或氮化物等催化剂,反应条件比较苛刻,通常需要高温(300-500 °C)和高氢压(10-100 bar)条件。

图1 多相及均相体系中过渡金属介导含氮有机物C-N键断裂过程(a和b)及氢化锂介导苯胺C-N键断裂化学链过程(c)示意图

在本工作中,研究人员基于前期氢化物介导合成氨(Nat. Chem., 2017; Nat. Energy, 2018)以及金属有机氢化物储氢(Angew. Chem. Int. Ed., 2019的研究基础,发现氢化锂(LiH)可以介导苯胺C-N键氢解生成苯和氨(图1c)。该过程被称为“化学链加氢脱氮”(CL-HDN),由三步反应构成:1)LiH与苯胺反应生成苯胺锂(C6H5NHLi),2)苯胺锂在氢气氛中发生氢解得到产物苯和氨基锂(LiNH2),3)LiNH2继续加氢放氨并再生LiH。作者通过实验对每步反应的可行性进行了验证:

步骤1:苯胺与LiH反应生成苯胺锂

将苯胺与LiH进行机械球磨混合,反应生成白色固体和1当量H2(图2a)。结合1H-NMR(图2b)及FT-IR分析(图2c),反应所得白色固体为苯胺锂(反应式见R1)。

C6H5NH2 + LiH → C6H5NHLi + H2          (R1)

图2 苯胺锂的制备及表征

步骤2和3:苯胺锂氢解生成苯和氨的串联反应

苯胺锂在流动态10 bar氢压下程序升温至270 °C进行反应,在气相产物中检测到苯和氨的生成(图3a),苯的生成温度约为210 °C,氨的生成温度则在270 °C。不同的反应温度暗示了苯和氨的生成可能经历不同的反应路径。为进一步探究反应中间过程,在密闭反应器中,苯胺锂在300 °C,10 bar H2反应条件下焙烧,气相产物可检测到苯及少量氨(图3b-c),固体产物中则观察到LiNH2的生成(图3d)。这表明苯胺锂在加氢脱氮过程中,可能先生成苯和LiNH2,而LiNH2可以进一步加氢放氨生成LiH(见反应式R2,R3)。流动态反应后固体产物中可观察到LiH存在(图3e)以及氢氘同位素等实验结果均可证实该反应历程。

C6H5NHLi + H2 → C6H6 + LiNH2           (R2)

LiNH2 + H2 → LiH + NH3                  (R3)

图3 苯胺锂加氢脱氮产物表征

基于上述实验结果,研究人员提出并设计了LiH介导的苯胺C-N键氢解反应的化学链过程(图4)。具体过程如下:首先以Ar为载气将苯胺带入装载LiH的固定床反应器中,反应器温度控制在150°C,产物可检测到H2的生成,证实苯胺锂通过苯胺与LiH反应形成;随后将Ar/苯胺混合气切换为H2,并将温度升高到270 °C,压力升至10 bar,可检测到苯和氨的生成。化学链过程中苯胺在270°C下氢解生成苯的速率约为800 μmol g-1 h-1,反应速率可与过渡金属催化反应相当,但所需反应温度和压力则显著降低。

图4 氢化锂介导苯胺加氢脱氮化学链过程(CL-HDN)示意图。

考虑到sp2C-N键键能(102.6 kcal mol-1)要明显高于sp3C-N键键能(87.6 kcal mol-1),因此要实现sp2C-N键的直接断裂要困难很多。在传统过渡金属催化加氢脱氮反应中,芳香胺通常需先将苯环加氢饱和,再进行C-N键氢解过程。而在苯胺锂氢解反应中,则实现了sp2C-N键的直接断裂过程。这些实验结果也说明LiH介导的HDN反应机理与传统的过渡金属介导的反应机理有着根本的不同。

接下来,作者通过理论计算对反应机理进行了详细研究(图5)。根据实验结果中观测到苯胺锂在脱氮反应之前发生熔化的现象,理论计算过程选用苯胺锂二聚体团簇模型进行研究。研究结果表明H2能够在苯胺锂Li-N键上进行异裂活化,继而形成稳定的[LiH-苯胺]配合物;与Li相连的H呈现H‾性质,可作为亲核试剂进攻苯胺上带正电的α-C原子,同时,Li+与苯环形成cation-π的相互作用,可削弱C-N键,从而实现苯胺中芳基C-N键的直接氢解。在整个反应过程中,负氢物种的亲核进攻过程具有较高的反应能垒(37.6 kcal mol-1),可能是反应的决速步骤。

图5 苯胺锂在300 °C下氢解成苯-LiNH2络合物的计算自由能路径图

总结

研究人员发现负氢(H‾)物种可作为亲核试剂进攻芳环,并利用该特点构建了LiH介导苯胺C-N键氢解生成苯和氨的化学链过程。该研究为含氮有机物C-N键的活化研究提供了新思路,更重要的是负氢(H‾)介导苯环亲核取代机制的发现对于相关化学转化研究可能具有启示意义。

文章的第一作者是大连化学物理研究所的博士生蔡永丽,中国科学院大连化学物理研究所陈萍、郭建平研究团队与厦门大学吴安安副教授为共同的通讯作者。

(陈萍研究员和郭建平研究员供稿)

 

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