王 洋， 姚子健

（上海应用技术大学 化学与环境工程学院, 上海 201418）

胺类化合物广泛应用于医药、农药、橡胶、表面活性剂等领域，是一类生产生活中重要的化合物[1]。其中，还原胺化反应是一种重要的合成方法。但是传统的方法常加入化学计量的NaBH3CN、NaBH(OAc)3作为还原剂，会得到大量有毒有害的废弃物[2-3]。因此，找到一种理想的催化体系以解决此类反应中环境污染的问题是一个极其重要的课题。

氮杂环卡宾由于其优异的σ给电子效应[4-5]，可以与金属形成稳定的配合物。此外，其便于调节的空间位阻和电子效应使此类配合物已应用于各种反应的催化过程中[6-8]。近日，Pendey等[9]合成了一种双功能氮杂环卡宾铱配合物（见图1）。该配合物配体部分含有一个质子响应单元，可以在酸/碱的加入下观察到2种互变异构体的相互转化（见图2），该过程通过核磁滴定得到证实。

图1 氮杂环卡宾铱配合物的2种合成方法Fig. 1 Two different synthetic routes of nitrogen heterocyclic carbine iridium complex

图2 2种异构体之间的转化Fig. 2 Transformation between two isomers

随后作者研究了这种配合物对还原胺化反应的催化性能。其中，在氢气直接还原的反应过程中，在1.013 25×105Pa（1 atm）氢气、45 ℃、0.1%KPF6、1%配合物5 h的条件下，反应在甲苯、甲醇、异丙醇、二氯甲烷，二甲基亚砜中均以优秀收率得到目标产物。而反应在以水为溶剂的体系中，反应收率仅为30%。该反应还可以通过转移氢化过程实现还原胺化反应。在以异丙醇作氢源的反应中，反应在75 ℃，0.15%叔丁醇钾，5%配合物12 h的条件下得到最高收率，为83%。而在甲酸作氢源的反应中，由于亚胺的水解，该反应仅在异丙醇为溶剂的体系中得到目标产物，产率为85%。为避免亚胺的水解，之后的反应中使用了甲酸/三乙胺为5/2的混合物作为氢源。由于副产物的生成（见图3），后续的反应在亚胺生成后再加入甲酸/三乙胺的混合物。一系列的结果表明，该反应可在35 ℃，0.2%配合物1 h的条件下在达到100%的收率，且溶剂的选择对反应没有明显影响。作者使用甲酸/三乙胺混合物作为氢源的条件，筛选了反应底物的范围。研究表明，芳香醛与苄胺、芳香胺的反应均可得到90%以上收率，而与脂肪胺的反应收率则在50%～80%之间。作者以同样的条件探究了该配合物催化还原氮杂环亚胺的反应。结果表明，该配合物在不同苯并氮杂环亚胺的还原过程中表现出优异的性能，产率均达到95%以上。

图3 底物和甲酸同时加入的副产物Fig. 3 Side product when substrates and formic acid are added together

为了探究反应机理，作者推测了反应可能发生的不同路径，并通过密度泛函理论计算，得到每一步中间过程的吉布斯自由能的变化，通过不同的路径的对比，作者得出了一个合理的反应过程（见图4）。催化加氢过程遵循外层反应循环机理：金属中心和内酰胺与一分子氢发生加氢，形成中间体3，随后与一分子亚胺结合，在配体与中心金属原子的协同作用下完成氢转移过程；随后得到化合物8，完成亚胺的还原。在以甲酸为氢源的转移催化体系中，配合物与甲酸通过离子对机理的过程形成中间体6，之后氢负离子转移至亚胺底物上，得到化合物8。

图4 催化机理Fig. 4 Reaction mechanism

该反应同样可以在无金属催化的条件下完成。为了体现金属配合物在该反应中的作用，作者还计算了无金属催化过程中吉布斯自由能的变化。如图5所示，该反应在无金属催化的过程中的能量跨度达到了22.3 kJ/mol。与之相比，在有金属催化的过程中，能量跨度的最大值仅为18.6 kJ/mol（见图6）。由此可见，金属能有效降低反应的能垒，从而提高反应的效率。

图5 无金属催化氢化过程中相对吉布斯自由能的变化/kJ·mol -1(N-苯亚甲基-1-苯基甲胺为底物，T=30 ℃)Fig. 5 Relative Gibbs free energies of the metal free hydrogenation of N-benzyl- 1-phenylmethanimine/kJ·mol -1 at T=30 ℃

图6 金属催化氢化过程中相对吉布斯自由能的变化/kJ·mol -1 (N-苯亚甲基-1-苯基甲胺为底物，T=30 ℃)Fig. 6 Relative Gibbs free energies of the Ir complex catalyzed hydrogenation of N-benzyl- 1-phenylmethanimine/kJ·mol -1 at T=30 ℃.

总之，Pendey等[9]成功合成了一种双功能氮杂环卡宾铱配合物。这种配合物能够在温和条件下快速实现亚胺到胺的转化。之后作者提出了反应在不同条件下的机理并且得到了理论计算结果的支持。配合物中的质子响应单元可以通过质子的得失完成2种互变异构的转化，这种配体在脱氢过程中的应用同样也值得期待。