论文信息

研究背景

DMF是一种重要的极性非质子溶剂和化工/制药合成的关键中间体，其绿色合成路线（CO₂+H₂+DMA→DMF+H₂O）虽具吸引力，但因涉及三种底物协同活化而面临较高的动力学能垒，这对催化剂的设计提出了较高要求。均相分子催化剂凭借其卓越的结构可编程性，为应对这一挑战提供了强大的平台。然而，常规的单个金属中心以逐步的方式介导H₂裂解、CO₂插入和胺甲酰化过程，不可避免地累积高活化能垒，且无法规避在一个位点上组装三个独立分子所固有的熵成本，这是单核催化剂固有的动力学瓶颈。因此，需要一种更具变革性的策略来同步实现多底物活化，并大幅降低整体反应能垒。

为克服这一根本性局限，中国石油大学（华东）王林和吴传德等在Angewandte Chemie上发表了题为“Proximal Ir–Ir Cooperativity for Reprogramming the CO₂-to-DMF Hydrogenation Pathway”的最新研究成果。本研究设想从单核反应性向双核协同性进行范式转变，以重塑反应路径，其中两个邻近的金属中心可同步活化不同的底物，将具有挑战性的三分子过程转变为动力学有利的低能垒路径（图1）。基于此，本研究报道了一种配体工程和双活性位点协同策略，通过合成一系列由具有不同电子效应（-H、-OH）的酰胺配体支撑的、结构明确单核和双核Ir催化剂来实现。优化的双核架构将利用空间限域效应来协调一致的底物活化，同时次级配位层中的?OH将极化金属-氢键以促进H₂裂解。

图1. 单核催化剂所面临的动力学瓶颈以及本研究提出的Ir–Ir协同策略示意图

图文解析

单核催化剂通过精密的配体工程可以获得可观的催化效率（图2a），但它们从根本上受到顺序活化机制的限制。因此，本研究设想了一种双核结构，其中两个邻近的金属中心可以协同活化多种底物，可能提供一种变革性策略来绕过这一瓶颈。本研究设计合成了三种Cp*Ir(III)配合物（图2b），分别为单核Cp*Ir(III)(PBA)（1）、单核Cp*Ir(III)(HPBA)（2，带有-OH）和双核Cp*Ir(III)(Bis-HPBA)（3，带有–OH）。在初始条件下进行了催化探究，这些结果确立了两种基本的构效关系。首先，–OH官能团凭借其给电子能力调控Ir中心的电子密度，使得含羟基单核催化剂（2）的TON相较无羟基类似物（1）提升了约一个数量级。其次，双核催化剂3的催化活性显著超过其含羟基的单核类似物2。这种近乎翻倍的产率提供了有力证据，表明3中两个邻近的Ir中心以协同而非独立方式运作，从而实现了比单一位点本质上更为高效的催化路径。

图2. 报道的均相催化剂与本研究设计的三种Cp*Ir(III)配合物的结构及其催化性能对比

确定3为最优催化剂后，系统考察了关键反应参数对其性能的影响。溶剂筛选表明（图3a），甲醇和乙醇等极性质子介质中的TON显著优于THF和水，基于成本与性能的综合考量，最终选用甲醇作为溶剂。DMA浓度从1 M增至4 M时（图3b），TON与选择性均呈单调递增趋势，高浓度胺有助于捕获甲酸中间体并抑制副产物生成。压力优化显示（图3c），TON随总压（1.0至6.0 MPa）近乎线性升高，高压促进了气体溶解并推动平衡向产物方向移动。在最优反应条件下，进一步探索了催化剂3用于DMF合成的催化潜力，结果显示，催化剂3在反应288 h后TON可达1 540 000（图3d）。这一卓越的催化性能使催化剂3跻身于迄今报道的用于CO₂和H₂对二甲胺进行N-甲酰化反应的最高效均相催化剂之列，显著优于先前的催化体系（图3e）。

图3. Cp*Ir(III)(Bis-HPBA)催化二甲胺N-甲酰化生成DMF的性能。

进一步拓展了胺类底物范围，以评估催化剂3的普适性及双核Ir体系的官能团耐受性（图4）。实验结果表明，线性脂肪族胺（2a–2c）、含环状取代基的伯胺（2d–2f）以及环状仲胺（2g–2h）均能以92%–99%的高收率顺利转化为相应的甲酰胺，充分体现了该双核Ir体系优异的化学选择性。上述结果确立了催化剂3作为一种兼容性强、底物范围广泛的以CO₂/H₂为原料的胺甲酰化通用催化平台。

图4. Cp*Ir(III)(Bis-HPBA)催化各种胺的N-甲酰化产物

通过DFT计算考察了两种不同的反应路径（图5a）：路径1体现了设计的双核协同机制，其中两个邻近的Ir位点协同活化不同底物；路径2模拟了传统的单核顺序路径，其中单个Ir中心独立完成所有基元步骤。在路径1中，两个邻近的Ir位点分别介导H₂异裂生成Ir–H物种及DMA活化，随后CO₂插入形成Ir–HCOO*中间体，继而与邻位活化的胺发生直接C–N偶联生成DMF，完成催化循环。相比之下，路径2中所有基元步骤均在同一Ir中心依次进行，DMA和CO₂存在竞争配位，且DMFA向DMF转化过程中需借助额外甲酸分子促进质子转移。原位红外光谱（图5b）检测到DMA*、HCOO*和DMFA*等物种的特征峰强度随反应时间逐渐增强；其中1670 cm^-1处归属于DMF分子O=C–N结构的特征峰，直接证实了最终产物DMF的生成。上述理论与谱学结果明晰了反应历程，为双核协同催化机制提供了有力支撑。

图5. 可能的反应机理图及原位红外测试

DFT计算得到的反应能量路径图（图6a、b）显示两种路径之间存在显著的能量差异。在路径1（双核协同路径）中，H₂异裂/DMA活化（TS1）和CO₂插入（TS2）两个过程的能垒分别为15.9和26.3 kcal mol^-1。相比之下，在路径2（单核反应路径）中，整个反应体系中所有中间体和过渡态的能量均系统性偏高，其中CO₂插入步骤的能垒（TS2）达到了35.9 kcal mol^-1。该高能垒源于单个Ir活性中心难以在一级配位层内同时容纳CO₂和DMA，而这种空间和电子的拥挤在双核机制中被完全规避。综上所述，DFT分析明确表明，双核协同路径（路径1）在能量上显著优于单核反应路径（路径2），为实验观察到的催化剂3优异性能提供了严谨的理论基础，从而构建起一个贯通催化剂设计、理论预测与实验观测的完整机理框架。

图6. 反应路径能量分布图

总结

综上，本研究提出一种配体工程与双活性位点相结合的策略，以解决二甲胺经CO₂与H₂催化N-甲酰化反应所固有的本征动力学难题：即在单一金属中心上对三种不同底物进行有序、高能垒活化。通过合理设计带有可调–OH官能团的酰胺类配体，合成了一系列结构明确的单核与双核Cp*Ir (III)配合物。其中，羟基功能化双核催化剂Cp*Ir(III)(Bis-HPBA)（3）实现了对DMF高达1540000的转化数，跻身已报道该反应中性能优异的均相催化剂之列。结合密度泛函理论计算与原位红外光谱开展的综合机理研究表明，催化剂3优异性能源于电子效应与空间效应的协同作用。具有给电子特性的?OH取代基增加了Ir活性中心的电子密度，从而极化Ir–H键并促进H₂异裂。至关重要的是，双核结构中两个Ir位点的空间邻近性使得不同底物能够协同活化，有效地将决速的三分子碰撞转化为动力学上有利的类分子内过程，并消除了单核体系固有的底物竞争。这种双重优化大幅降低了H₂裂解和CO₂插入的能垒。这项工作建立了一个机理蓝图，其中多金属协同性与次级配位层效应协同作用，突破单中心催化剂的本征动力学局限。除DMF合成之外，本文所展示的设计理念，即利用邻近金属位点调控多底物协同活化，为开发能够在温和条件下将CO₂转化为高附加值C1原料的下一代催化剂提供了一种广泛适用的设计原则。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由德国化学会（German Chemical Society, GDCh）出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。