2022年9月12日，清华大学刘强课题组和郑州大学蓝宇课题组合作，在《自然•化学》（Nature Chemistry）在线发表了“氨基阴离子锰氢配合物的结构、反应性和催化性能（Structure, reactivity and catalytic properties of manganese-hydride amidate complexes）”的研究论文。该研究首次分离获得了催化氢化反应中的氨基阴离子金属氢活性中间体（“M’N-MH”），并对其反应性质和催化性能进行了深入研究，发现该类活性中间体相比于金属配体协同参与催化体系中经典的氨基金属氢中间体（“HN-MH”）具有更高的催化效率。

　　催化氢化反应在有机合成和化工生产中占有重要的地位，是许多基本有机化学品、精细化工产品以及药物分子合成的关键步骤。传统的羰基氢化反应通常通过內层（inner-sphere）反应机制发生（图1a），由于存在氧原子与金属中心的配位作用，反应效率不高；此外，羰基与烯烃底物的竞争配位导致C=O/C=C氢化选择性难以控制。自从诺贝尔奖获得者Noyori教授于1995年报道了具有N-H结构、金属配体协同参与效应的钌双膦双胺催化体系以来，极性不饱和底物氢化反应的催化效率和选择性得到了显著提升。其中最具代表性的例子包括我国科学家周其林院士发展的含有N-H结构的手性螺环铱催化剂，在苯乙酮的不对称氢化反应中达到了455万的催化剂转化数（TON），是目前为止均相不对称催化反应的最高记录。此类金属配体协同参与催化体系的关键活性中间体为氨基金属氢物种（“HN-MH”），N-H基团在反应过程中通过氢键作用活化底物，通过外层（outer-sphere）反应机制可以有效促进负氢转移过程的发生（图1b）。

图1 催化氢化反应机理认识

　　2001年，相关机理研究推测在上述催化氢化反应中，过量碱M’OR（M’代表碱金属）的存在可能促使N-H基团发生去质子化生成N-M’结构，所得到的氨基阴离子金属氢配合物（“M’N-MH”）是该类反应的关键催化活性中间体；2014年，理论化学家通过DFT计算对“M’N-MH”配合物的形成及催化氢化反应过程进行了深入研究（图1c）。然而，目前关于氨基阴离子金属氢中间体的反应性质研究仅局限于理论计算，这是由于具有催化氢化活性的氨基阴离子金属氢活性中间体的分离表征极为困难，从而制约了新颖、高效金属配体协同参与催化体系的设计与发展。刘强和蓝宇研究团队设想选取具有较小原子半径的3d丰产金属锰作为中心金属，可以拉近负氢与碱金属离子之间的距离，有望利用具有较高负氢亲和性碱金属离子的辅助配位作用稳定氨基阴离子金属氢中间体。基于上述设计思路，作者利用具有钳形配体骨架的“HN-MnH”配合物与强碱LiCH2SiMe3反应，成功分离获得了相应氨基阴离子锰氢中间体（“LiN-MnH”），并对其进行了全面的结构表征以及反应性质和催化性能研究（图2）。

图2 氨基阴离子锰氢活性中间体的结构

　　反应动力学研究表明，在当量反应中“LiN-MnH”中间体与二芳基酮的负氢转移速率是相应“HN-MnH”配合物的24倍。此外，使用“LiN-MnH”配合物作为催化剂在各类N-烷基亚胺的氢化反应中均展现出显著优于“HN-MnH”配合物的催化活性（图3）。结合理论计算研究发现，N-Li结构中的Li离子作为路易斯酸亲电活化底物的能力明显优于N-H结构中的质子，从而有效降低了负氢转移反应的活化能。通过进一步结构优化，使用路易斯酸性更强的三价Al离子作为桥联金属所制备的“AlN-MnH”活性中间体表现出更为优异的反应性能。

图3 “LiN-MnH”与“HN-MnH”配合物的反应性质和催化性能对比

　　以上研究结果为双金属协同活化负氢转移反应机制提供了坚实的实验证据，并验证了这一新反应模式相比于经典的氢键协同负氢转移模式具有更高的反应效率，对金属配体协同参与催化体系的理性设计与演化具有重要的借鉴意义。

　　最后，以一首诗对全文做一个小结：

　　“金属配体共协同，催化氢化效率高；

　　机理研究是为本，活性物种分离难；

　　原位谱学来检测，理论计算探其形；

　　结构迷离二十载，今日终得现真容！”

　　上述工作实验部分由清华大学刘强团队完成，理论计算部分由郑州大学蓝宇团队完成。论文信息：Y. Wang, S. Liu, H. Yang, H. Li, Y. Lan, Q. Liu, Nat. Chem. 2022, https://doi.org/10.1038/s41557-022-01036-6.