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JACS:杭師大效旭瓊課題組碳硼烷與氮雜環(huán)卡賓化學(xué)研究新進(jìn)展

來(lái)源:杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院      2023-07-12
導(dǎo)讀:近日,杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院效旭瓊教授課題組在碳硼烷與氮雜環(huán)卡賓化學(xué)方面取得新進(jìn)展,相關(guān)研究以“Nickelacarborane-Supported Bis-N-heterocyclic Carbenes”題為在化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society, JACS,IF:15.0)上發(fā)表。

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碳硼烷及其衍生物由于獨(dú)特的三維類芳香性、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、材料、化學(xué)等諸多領(lǐng)域。將碳硼烷的一個(gè)或多個(gè)頂點(diǎn)替換為金屬離子就形成了金屬碳硼烷,通常由巢式碳硼烷雙負(fù)離子與過(guò)渡金屬離子反應(yīng)得到。相關(guān)研究也常常更關(guān)注于官能化的巢式碳硼烷陰離子與各種各樣金屬離子的反應(yīng)。金屬碳硼烷的另一個(gè)有意思的特點(diǎn)是中心金屬的氧化態(tài)可變,從而影響了它們的一系列性質(zhì)。總的來(lái)說(shuō),可以通過(guò)改變金屬離子的類型或同一金屬離子的不同氧化態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)金屬碳硼烷的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。相應(yīng)的,與金屬碳硼烷相連的各種官能化基團(tuán)(特別是各種共軛雜環(huán))的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也可以精細(xì)的調(diào)控。

氮雜環(huán)卡賓(NHC)及其金屬配合物是現(xiàn)代有機(jī)金屬化學(xué)中最熱門的課題之一,并被廣泛應(yīng)用于金屬有機(jī)催化、小分子活化、有機(jī)催化、穩(wěn)定低價(jià)態(tài)主族元素等方面。至今氮雜環(huán)卡賓研究進(jìn)展仍層出不窮,主要原因在于其易于合成、毒性小、更強(qiáng)的給電子能力、易調(diào)控的空間位阻效應(yīng)和電子效應(yīng)等。除了單齒氮雜環(huán)卡賓以外,多齒氮雜環(huán)卡賓及官能化氮雜環(huán)卡賓也被廣泛研究。比如雙齒卡賓,特別是剛性骨架的Janus-型雙卡賓(Janus,中文譯作雅努斯、杰納斯等,是羅馬神話中的雙面神,在羅馬神話中象征開(kāi)始和結(jié)束。雙面神有兩幅面孔,一副朝向過(guò)去,一副面向未來(lái)。他的名字Janus也是一月(January)的來(lái)源。),可以與不同類型金屬離子形成異核金屬配合物,這兩種金屬離子可以分別催化機(jī)理完全不同的反應(yīng)循環(huán)(正交反應(yīng)),從而構(gòu)成了串聯(lián)反應(yīng)。Janus-型雙卡賓配體還可以用在自組裝化學(xué)中構(gòu)筑金屬有機(jī)大環(huán)化合物,并用于催化、光學(xué)材料、主客體化學(xué)等。

在前期研究基礎(chǔ)上,作者利用巢式碳硼烷陰離子支撐的氮雜環(huán)卡賓配體在強(qiáng)堿作用下(NaHMDS)與Ni(PPh3)2Cl2反應(yīng),得到了一類鎳金屬碳硼支撐的氮雜環(huán)卡賓前體,從碳硼烷角度分析也可以稱之為咪唑正離子官能化的金屬碳硼烷。隨后,作者通過(guò)NaHMDS脫質(zhì)子得到了鎳金屬碳硼支撐的自由卡賓(由于有堿金屬與卡賓成鍵,嚴(yán)格來(lái)講應(yīng)稱之為類卡賓(Carbenoid))。該自由卡賓分別與Au(PPh3)Cl和Se單質(zhì)反應(yīng)得到了鎳金屬碳硼支撐的雙金屬卡賓配體物和二烯酮。前者的成功分離表明,該Janus-型雙卡賓在構(gòu)筑金屬有機(jī)大環(huán)配合物方面或在設(shè)計(jì)異核金屬卡賓配合物并催化串聯(lián)反應(yīng)方面具有潛在的用途;而后者可以通過(guò)分析77Se NMR譜來(lái)評(píng)估卡賓配體的π受體能力。鎳金屬碳硼支撐的雙核金卡賓配體物的CV曲線顯示了兩個(gè)明顯的氧化還原峰,分別對(duì)應(yīng)NiII ? NiIII和NiIII ? NiIV的可逆轉(zhuǎn)化過(guò)程。

為了深入了解該雙卡賓的電子結(jié)構(gòu),作者進(jìn)一步進(jìn)行了DFT計(jì)算分析。在GIAO/B3PW91-D3/def2-TZVP//B3PW91-D3/def2-TZVP水平下,核磁碳譜計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近,進(jìn)一步證實(shí)了其Carbenoid的結(jié)構(gòu)。前線軌道分析表明,兩個(gè)孤對(duì)電子軌道分別位于HOMO-4和HOMO-5,而空的p軌道由于苯環(huán)的反鍵軌道的干擾卻較難找到。通過(guò)將取代基替換為甲基進(jìn)行模型簡(jiǎn)化后,順利的找到空的p軌道位于LUMO+1和LUMO+2。作者在簡(jiǎn)化后的模型中發(fā)現(xiàn),與常見(jiàn)卡賓不同,該卡賓五元環(huán)上的氮具有非平面的結(jié)構(gòu)。電荷分析表明氮上甲基取代基與硼籠BH之間具有C-H???H-B的弱相互作用,該弱相互作用可以通過(guò)IGM分析進(jìn)一步證實(shí)。在IGM分析中,作者發(fā)現(xiàn)除了C-H???H-B的弱相互作用外,還有BH基團(tuán)與空的p軌道之間存在B-H???π相互作用。由于該作用的存在,相應(yīng)的p軌道的π-接受能力有所降低。

上述進(jìn)展近期發(fā)表在JACS(J. Am. Chem. Soc., 2023,DOI: 10.1021/jacs.3c04360)上,文章的第一作者是杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生南潤(rùn)霞。效旭瓊教授是文章的唯一通訊作者,杭州師范大學(xué)是唯一作者單位。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(Nos. 22171063,21771048)和浙江省自然科學(xué)基金(No. LY22B010002)資助。

文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c04360


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