▲ 共同第一作者：苏沛锋、陈喆
共同通讯作者： 柯卓锋、李胤午
通讯单位： 中山大学材料科学与工程学院
论文DOI：10.1021/acscatal.3c03440
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全文速览
由于d电子墙的问题，烷氧势阱问题和铬催化剂金属中心的价态会对催化性能造成不可忽视的影响。通过解决烷氧势阱问题的策略，柯卓锋课题组设计并合成了一种零价铬催化剂，用于催化醇之间的借氢C-烷基化。与较高价态铬的催化剂对比，零价铬的催化剂不会遇到烷氧势阱问题，有较高的催化活性。
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背景介绍
A. 借氢反应与相关催化剂
通过借氢反应构建新的C-C键和C-N键等是一种具有原子经济性和环境友好性的可持续化学方法，从上世纪八十年代报道了首例均相催化的借氢反应起，在均相催化领域，研究者们实现了以醇作为烷基化试剂，对胺、酰胺、醇、酮、醛和酯等化合物的烷基化。尽管借氢策略有助于减少有害副产物的产生，贵金属催化剂却广泛地用于催化借氢反应。在此背景下，近年来，设计并开发高效的廉价金属催化剂用于借氢反应成为研究热点，而调控催化剂的电子结构和金属中心价态对于廉价金属催化剂的设计和开发尤为重要。
B. d电子墙问题下的烷氧势阱问题
在大部分醇作为烷基化试剂的借氢反应机理中，金属-烷氧中间体是一个关键的中间物种，其性质与金属氢活性中间体的形成息息相关，对催化剂活性和反应效果可能存在不可忽视的影响。高价态的较前的过渡金属，由于d电子数较少，他们具有半满的或者空的d轨道，与烷氧基团的氧孤对电子之间存在的d-p π相互作用使金属-烷氧中间体变得稳定，陷入热力学势阱，造成烷氧势阱问题，降低催化活性，而低价态的金属中心则可以避免此问题。但是基于d电子墙问题下的烷氧势阱问题并未引起广泛的关注。在已报道的廉价金属催化体系中，高价态的较前的过渡金属，如Cr(III)、Mn(II)、Mn(III)和Fe(III)等，受烷氧势阱效应的影响，经常需要在较苛刻的条件下催化反应进行。但是，由于低价态金属中心较难被稳定，在匹配相应金属氢中间体的动力学和热力学性质上也存在一定困难，可以克服烷氧势阱问题的低价金属催化体系并未被广泛报道，特别是用于催化借氢反应的铬催化剂，先前报道的均是Cr(III)体系，容易面临烷氧势阱问题。
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研究出发点
基于以上研究现状及面临的问题，柯卓锋教授课题组设想是否能够设计并开发一种低价态的Cr催化剂，探索其催化性能，将其用于催化醇之间的借氢C-烷基化，提供一个解决烷氧势阱问题的策略，为高效廉价金属催化剂的研究提供理论参考和应用实例？在我们先前的研究中，发现利用具有强σ给体和弱π受体的特性的氮杂卡宾（NHC）配体可以很好地稳定低价金属。基于此，他们通过理论和实验结合的方法，设计并合成了一种双齿氮杂卡宾铬（0）配合物（bis-NHC-Cr(0)），将其用于催化醇之间的借氢C-烷基化，全面探索反应机理，并与相似结构的高价态的Cr配合物进行了实验和计算的对比。研究结果发现，醇脱氢形成金属氢中间体是反应的决速步骤，受到烷氧势阱效应的影响，Cr(II)/Cr(III)体系形成金属氢的能垒较高，催化活性较低，而Cr(0)体系的相应步骤则有较低的能垒，催化活性高，能够在较低的催化剂载量下获得较高产率，底物适用范围广。计算和实验的结果为提出的解决烷氧势阱问题策略提供了一个实例，为后续新的高效催化剂的设计开发提供了参考。最终研究结果发表在ACS Catal.上（ACS Catal. 2023, 13, 12481-12493），共同第一作者为中山大学博士研究生苏沛锋和陈喆，通讯作者为柯卓锋教授和副研究员李胤午博士。
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图文解析
A. 不同价态Cr配合物下的烷氧势阱问题初探
柯卓锋课题组首先对不同价态的bis-NHC-Cr配合物催化醇脱氢产生金属氢中间体这一关键步骤进行了DFT计算研究，探究烷氧势阱问题对金属-烷氧中间体的热力学稳定性和金属氢形成步骤的动力学的影响。计算结果表明，由于Cr(II)和Cr(III)具有半满的d轨道，与氧的孤对电子之间的d-p π相互作用较强，且具有稳定化效应，使金属-烷氧中间体陷入热力学势阱，而Cr(0)没有半满的d轨道，相应的金属-烷氧中间体不会陷入势阱（图1a）。相应地，Cr(II)和Cr(III)烷氧中间体的Cr-O键比Cr(0)中间体中的更强，键解离能大（图1b），进一步也导致了醇脱氢形成金属氢具有更高的能垒。此初步的计算结果揭示了设计Cr(0)催化剂以解决烷氧势阱问题的策略在理论上具有科学性和合理性。
图1. (a) 不同价态的bis-NHC-Cr配合物催化醇脱氢产生金属氢中间体的势能面；(b) 醇脱氢产生金属氢中间体步骤能垒的比较，以及不同价态Cr的金属-烷氧中间体的Cr-O键解离能的比较。
B. 催化剂的合成和反应探索
基于关键步骤的计算结果，我们课题组设计并合成了bis-NHC-Cr(0)配合物（图2），并根据文献合成了先前已有报道的、具有相似结构的bis-NHC-Cr(III)配合物，针对Cr(0)配合物进行了反应条件筛选（表1），并比较了Cr(0)和Cr(III)配合物对于苯甲醇与1-苯基乙醇之间的借氢C-烷基化生成二级醇的催化性能差异。实验结果发现，Cr(0)配合物在低催化剂载量（0.5 mol%）和低碱载量（0.5 equiv.）的条件下，即可获得高产率（99% GC yield），且使用的碱是氢氧化钠，廉价易得。而在相同的条件下，Cr(III)配合物催化反应的产率则远低于Cr(0)配合物，初步证实了烷氧势阱问题对催化剂活性的影响。值得关注的是，当将碱换成叔丁醇钠后，反应的产率大大提升，通过一系列的表征，如循环伏安、紫外-可见光谱和光电子能谱等测试（图3），发现在此条件下，大部分的Cr(III)被还原成Cr(II)，从而可能使烷氧势阱效应减弱，催化剂活性提高，说明了烷氧势阱问题对催化剂活性的重要性。
图2. (a) bis-NHC-Cr(0)的合成路线；(b) bis-NHC-Cr(0)的分子结构（通过X射线单晶衍射表征）。
表1. 反应条件筛选
图3. (a) bis-NHC-Cr(III)的循环伏安测试；(b) bis-NHC-Cr(III)和反应混合物的UV-Vis光谱对比；(c)反应混合物的XPS谱图。
C. 底物拓展
基于高催化活性的Cr(0)催化剂，我们对此体系进行了底物的拓展，包括不同种类的一级醇（图4）和二级醇（图5）底物。反应有较好的基团兼容性，含有吸电子和给电子基团的底物都有较高的产率；催化剂高的活性，使低反应性的杂环芳香醇和脂肪醇底物都能发生反应并获得中等到较高的产率；反应有很好的化学选择性，含有碳碳双键和碳碳三键等不饱和键的底物，相应产物中仍保留着不饱和键；进行了克级反应评估，反应放大到克级仍有较高产率（图6）；选取了胆固醇和生育酚衍生物进行合成应用的拓展（图6），此体系有较好的合成应用潜力。
图4. 一级醇底物适用范围研究
图5. 二级醇底物适用范围研究
图6. 克级反应和合成应用
D. 整体机理研究和微观动力学模拟
我们对整体反应机理进行了实验和计算的研究，通过实验证实了反应的决速步骤为醇脱氢，与计算结果一致，并比较了三个价态的Cr配合物各步骤差异。根据计算结果，整体机理可分为四个部分，分别是预催化剂活化、醇脱氢（金属氢形成）、1,4-氢化和羰基氢化（图7）。各部分中，不同价态配合物的两个氢化部分的能垒差异不显著，引起反应差异的最关键步骤，是醇的脱氢，再次验证了烷氧势阱问题的重要性。基于DFT计算结果，我们进一步进行了微观动力学模拟，并与实验结果进行对比，模拟结果和实验结果基本一致（图8），微观动力学模拟反映出两种底物脱氢速率的匹配度和金属氢的浓度及其形成速率对反应产率有重要影响，而造成这两个因素在不同价态体系中差异的原因仍要归结于烷氧势阱效应。
图7. 反应总体机理
图8. bis-NHC-Cr(0) 催化反应的微观动力学模拟
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总结与展望
我们通过理论和实验结合的研究方法，提出了解决借氢反应催化剂烷氧势阱问题的策略。通过理论设计和实验合成，提出了首例用于催化借氢C-烷基化的零价铬催化剂，实现了借氢C-烷基化的高效催化，催化剂载量和碱载量低，适用底物范围广。我们全面探索了反应机理，在理论和实验上与高价态的相似Cr配合物进行了催化活性的对比，发现受烷氧势阱效应影响，对于决速步骤（醇脱氢形成金属氢），高价态Cr反应的能垒高于Cr(0)反应的能垒，高价态Cr催化剂活性低，反应产率低，Cr(III)需要通过还原降低价态为Cr(II)来提高活性，揭示了烷氧势阱问题在廉价金属催化剂设计上的关键性和重要性。本工作指出了未被广泛关注的烷氧势阱问题的重要性，为后续新催化剂的设计开发提供了理论参考和实例支撑。当然，这个工作也有一些遗憾，Cr(0)配合物的活化需要在较高温度下进行，在未来的工作中，设计开发出低价同时更易活化的催化剂也是需要解决的问题。
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