硝基化合物的还原转化是化学工业和生物氮循环中的核心过程。然而，由于反应中间体复杂的反应性，科学家们一直难以“看清”N-O键断裂的具体分子细节。近日，清华大学基础分子科学中心章名田课题组在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上发表重要研究成果，成功捕捉并表征了硝基还原过程中的关键亚硝基铁中间体，深度解析了双核铁中心在分步N-O活化中的协同机制。

硝基芳烃（Nitroarenes）的还原广泛应用于染料、医药和农药的生产，同时也是反硝化过程等生物化学反应的重要组成部分。在这些反应中，N-O键需要经历连续断裂，亚硝基芳烃（ArNO）被认为是关键的反应中间体在分子水平上捕捉这些中间体并研究其电子结构及探索后续反应性是解锁硝基还原的“黑匣子”钥匙。 为了模拟生物酶中多核金属中心的协同效应，团队设计并合成了一种具有大环配体支撑的双核铁-氮杂环卡宾（NHC）配合物（Fe₂-MeCN）。该平台具有极强的还原能力和独特的空间结构，为稳定活泼中间体提供了可能。在前期工作中，该团队已经利用其独特的反应性实现了惰性的高氯酸根离子的活化与逐级脱氧还原（Xu，X.-Y. et al, Angew Chem. Int. Ed. 2025, 64， e202416578），并实现了以高氯酸根为氧化剂的仿生厌氧型C-H键直接活化，为本工作的开展奠定了良好的基础。

研究发现，该双核铁配合物能够以“分步”的方式诱导硝基芳烃的还原。在反应过程中，双铁中心展现出显著的协同效应：它们不仅共同提供电子，还通过协同极化作用，使N-O键显著拉长和活化。利用单晶X射线衍射（SC-XRD）、红外光谱（IR）、磁核共振（NMR）以及⁵⁷Fe 穆斯堡尔谱（Mössbauer）等多种先进表征手段，成功解析了两种关键的中间体：单亚硝基中间体（Fe₂-PhNO,）和双亚硝基中间体（Fe₂-(PhNO)₂）。这些表征结果不仅提供了直观的结构证据，更通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了Fe与PhNO之间高度共价的相互作用，揭示了PhNO配体与双铁中心之间强烈的电荷转移特征，这是诱导N-O键极化的根本原因。在中间体捕获和电子结构认识的基础上，研究团队还进一步探索了中间体在第二次N-O活化中的表现。研究团队发现，通过改变外部试剂，可以驱动中间体发生四种不同的第二次N-O键活化途径：路易斯酸诱导电子转移、氢负离子还原、质子耦合电子转移（PCET）还原及直接的氧原子转移（OAT）。

简而言之，这项工作为理解铁介导的硝基还原提供了详尽的分子水平视角，其开发的双核铁-NHC平台为设计新型、高效的含氮小分子转化催化剂提供了重要参考 。

清华大学基础分子科学中心博士生许新宇为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文信息： Deciphering the Stepwise N-O Activation of Nitroarenes: Electronic Structure and Reactivity of Iron-Nitrosoarene Intermediates Xinyu Xu, Kai Hua, Fei Xie, and Ming-Tian Zhang* J. Am. Chem. Soc. 2024, DOI: 10.1021/jacs.5c19714.

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c19714