本网讯(物质科学与信息技术研究院)安徽大学物质科学与信息技术研究院罗根教授参与合作的多核钛氢化物介导的氮气与烯烃直接合成烷基胺研究工作取得突破性进展，研究成果以“Hydroamination of alkenes with dinitrogen and titanium polyhydrides”为题，于2024年6月17日在国际顶级期刊《Nature》正刊上发表。罗根教授、日本理化学研究所Takanori Shima研究员和侯召民教授为论文共同通讯作者。硕士研究生吴萍参与了部分工作。
氮气（N2）是大气的主要成分，是最廉价、丰富的氮源。然而，由于N2的化学惰性，以N2为原料合成含氮化合物极其困难。几乎所有人工合成含氮有机物均以氨（NH3）为氮源。目前，工业合成氨过程（Haber-Bosch process）是唯一以N2为原料的商业化过程。该过程需要高温、高压（350−550 °C，150−350 atm）等苛刻条件，是典型的高能耗过程。因此，发展温和条件下直接以N2为氮源合成含氮有机物的方法至关重要，将有望实现含氮有机物的绿色、可持续合成工艺。
烷基胺是一类重要的含氮有机物，广泛应用于医药、农药、材料等领域。烷基胺通常由NH3及其衍生物与极性碳试剂（如醇、酮、羧酸化合物等）反应制备。NH3源自N2，而极性碳试剂多由非活化烯烃的官能团化反应获得。原则上，非活化烯烃与N2的直接氢胺化反应有望实现烷基胺的简便、高效合成。然而该反应极具挑战，且至今尚未被实现。
近日，日本理化学研究所（RIKEN）侯召民教授团队与我校罗根教授合作在N2活化与N–C键构筑方面取得新突破，首次实现了非活化烯烃与N2的直接氢胺化反应合成烷基胺。如图1所示，作者利用三核钛氢簇1与丙烯反应，高产率获得丙烯活化产物4a。该反应中，丙烯的三个C(sp2)–H键均被活化。有趣的是，化合物4a可进一步与N2反应，经由中间体6选择性生成烯基亚胺基/氖春配合物5。该反应转化中，N2的N≡N键发生断裂，其中一个N原子连接到4a中活化丙烯结构单元的中间C原子形成新的N–C键；同时三核钛氢骨架上一个金属氢配体迁移到活化丙烯结构单元的末端碳原子上，形成新的C–H键。化合物4a与N2反应生成5形式上实现了丙烯结构单元与N2的氢胺化反应。在氢气存在条件下，配合物5可进一步发生氢化反应生成异丙基亚胺配合物8a。最后，化合物8a经水解释放出异丙基胺。异丙基胺经盐酸酸化能够以异丙基氯化铵的形式析出。该研究代表首例非活化烯烃对N2的官能团化反应。值得注意的是，丙烯与N2的加料顺序对上述反应至关重要。改变丙烯与N2的加料顺序仅获得化合物3，未观测到N–C键的形成。其中，该工作中报导的新化合物3、4a、5、6和8a均获得了X-ray的结构表征。
图1. 氮气和丙烯在三核钛氢簇骨架中的活化和转化（源于Nature）
为了更好地理解化合物4a对N2的活化作用及N–C键的形成机理，作者进行了大量的理论计算，主要优势路径展示在图2中。如图2a所示，化合物4a到6的转化主要包括：N2配位（A）、C1–H2键形成和N2还原（B）、[C3H4]结构单元重排（C）、脱氢（D）和[N2]结构单元重排（6）；化合物6到5的转化主要包括：N–N键断裂（E）、N–C键形成（F）和[HC=CR]结构单元重排（5）。从化合物E来看，N1–C2键形成（TS5）比N2–H3键形成（TS7'）或C2–H3形成（TS7）更有利。图2b展示了化合物5进一步转化为3（红线）或8a（蓝线）的反应路径。化合物5到3的转化主要包括：[HC=CR]骨架异构和N1–C2键断裂（E）、C2–H3键形成（G）、[C3H5]结构单元异构（H）和N1–H7键形成（3）；化合物5到8a的转化主要包括：
H2加成（I）、C1–H9键形成（J）、第二次H2加成和C2–H10键形成（K）以及C1–H11键形成（8a）。
图2. 化合物4a的氮气活化和N-C键形成以及5进一步转化的反应机制的计算研究（源于Nature）
基于上述发现，作者进一步研究了其它非活化烯烃与氢化物1及N2的反应（图3）。其它末端烯烃（包括1-丁烯、1-戊烯、1-己烯和苯乙烯）与氢化物1反应生成化合物4a的类似物4b–4e。它们进一步与N2和H2反应生成化合物8a的类似物8b–8e。最后8b–8e经水解及盐酸酸化处理获得相应的烷基氯化铵7b-7e。氢化物1与降冰片烯反应生成降冰片烯开环产物4f，随后与N2和H2反应生成1-环戊基乙基亚胺配合物8f，最后经水解及盐酸酸化处理获得1-环戊基乙基氯化铵7f。此外，利用上述标准反应流程，作者也实现了环己烯和N2分别为碳源和氮源合成了环己基氯化铵7g。
图3. 其它烯烃和氮气转化形成烷基胺（源于Nature）
综上，作者利用三核钛氢化物实现了温和条件下简单烯烃与氮气的直接氢胺化反应合成烷基胺，并通过理论计算从分子水平上详细阐明了其反应机理。该工作的重要突破还在于发展了一种氮气官能团化双活化新模式。该模式中官能团化试剂先被活化，氮气再被活化，显著区别于先氮气被活化的传统氮气官能团化模式。该研究展示了多核氢化物框架可以作为氮气与非活化烯烃等简单碳氢化合物功能化的优秀媒介。这一工作将激励广大科研工作者进一步探索在多核氢化物框架中氮气与各种碳氢化合物的氢胺化反应，并设计开发利用氮气和简单碳氢化合物作为起始材料的催化合成胺类化合物的理想工艺。