过渡金属催化的C−N交叉偶联反应已成为合成药物、农用化学品、天然产物和功能材料不可或缺的工具。传统上使用得更多的是钯催化策略,然而考虑到成本因素,性价比更高的均相镍催化成为开发的重要目标。过去二十年中,多个课题组开发了结构明确的NHC-Ni预催化剂,包括Nolan(1,4)、Matsubara(2)、Nicasio(3,5)、Montgomery(6)和Jamison(7)。尽管许多预催化剂表现出优异的催化活性,但尚未发现普遍适用的NHC-Ni催化剂。
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鉴于此,近日渥太华大学Michael G. Organ教授团队报道了一种新型、结构明确、空气稳定的NHC-Ni(II)预催化剂([(IPr)Ni((N-methylphenethylamine)Cl](8)),用于C−N交叉偶联反应。该预催化剂在碱存在下易于活化,可高效促进多种芳基氯化物与胺的胺化反应。此外,操作简便、稳定性高和极易活化的优势,使得该NHC-Ni预催化剂成为镍催化C−N键形成的良好选择。
反应条件优化
以吗啉与4-氯苯甲醚的N-芳基化为模型反应,对碱、溶剂和催化剂负载量进行优化:
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研究发现,THF作溶剂时,收率可达92%;NaOtBu作碱最佳;预催化8的负载量为2 mol%最优。
最优条件:芳基氯化物(1.0 equiv)、胺(1.5 equiv)、NaOtBu(1.8 equiv)、预催化剂8(2 mol%)、THF(1 mL)、60 °C反应16小时、无需惰性气体保护。
底物探究
作者以不同的芳基氯化物、各类胺为底物进行研究:
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研究发现:
1.对芳基氯化物而言,富电子和缺电子芳基氯化物均可实现高效偶联,说明电子效应影响小;邻位取代底物收率下降(20: 87%,21: 76%,22: 72%),说明空间效应显著;此外,4-叔丁基(23: 88%)、4-甲氧基(16: 92%),但3-氯(24: 84%)和3,5-二取代(25,26: 75%)收率较低,说明间、对位取代兼容。
2.对胺而言,环状仲胺最优:吗啉(99%)、哌啶(98%);伯胺收率较低:45%(30)、36%(31),47%(33),45%(34);杂芳基胺优异:氨基吡啶(92−98%)、氨基喹啉(98%)、氨基哒嗪(87%);空间位阻影响:当芳基氯的对位有给电子取代基时,N-甲基苯胺(36: 38%,39: 16%)收率较低,但改变溶剂及升高温度后便实现收率大幅提升。
预催化剂活化机理
基于实验观察,作者提出了如下活化机理:
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主要分为两步进行:
1.碱促进还原消除:在碱存在下,预催化剂8中的N-甲基苯乙胺配体作为“丢弃配体(throw-away ligand)”,发生还原消除,生成活性NHC-Ni(0)催化剂(13)和N-甲基苯乙胺副产物(12)。
2.活性物种生成:生成的NHC-Ni(0)物种(13)进入催化循环,参与C−N交叉偶联。
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作者通过监测不同温度下反应转化率随时间的变化,研究了预催化剂8的活化行为发现:预催化剂8在室温下即可活化(无诱导期),而60 °C下反应仅需5分钟即可完成—温度的作用是加速催化循环,而非触发预催化剂活化,这说明60°C乃是最优反应温度。
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机理验证:对照实验发现无金属时不反应;仅添加Ni(COD)₂ (9)时痕量产物;而原位生成NHC-Ni(0)(Ni(COD)₂ + IPr)可实现89%收率;使用预催化剂8时则实现98%收率;使用在空气中存放了5年的旧批次预催化剂,仍可实现95%收率,更证明了其长久的保质期。
预催化剂的合成与表征如下:
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合成:[Ni(COD)₂](9)与IPr(10)和N-甲基苯乙胺(11)在无水THF中,−40 °C至室温反应16小时,以良好收率获得空气稳定的预催化剂8。
表征:通过单晶X射线衍射(SC-XRD)分析确认了配合物8的结构:
•方形平面几何:Ni(II)中心与IPr配体、N-甲基苯乙胺配体和氯配体配位。
•IPr配体:以单齿方式配位,支持反应性催化中间体的形成。
•N-甲基苯乙胺:作为L,X型配体(氮原子和芳环配位)。
研究亮点:预催化剂性质稳定(空气氛围下可保存5年不变质)、操作简便、活化高效、底物范围广泛(兼容多种芳基氯化物和各类胺)、催化剂负载低(2 mol%即可实现高转化率)。
局限:伯胺收率较低、空间位阻敏感、部分底物需高温、需强碱(底物有敏感基团不适)、反应时间较长(16 h)、药物分子后期修饰未涉及、底物有限(未涉及其他芳基卤化物)。
总结:作者开发了一种新型、结构明确、空气稳定的NHC-Ni(II)预催化剂,用于C−N交叉偶联反应。该预催化剂通过“丢弃配体”策略—N-甲基苯乙胺作为L,X型配体—实现了空气稳定性和易活化性的平衡。在优化条件可实现富电子/缺电子芳基氯化物、环状仲胺、杂芳基胺等多种底物,收率最高达99%。该策略为镍催化C−N键形成提供了实用、操作简便的新工具,乃是Buchwald偶联反应的重要补充。
参考资料:
A Well-Defined, Air-Stable NHC-Ni Precatalyst for C−N Bond Formation. Kianoosh Masoomi, Jürgen Schulmeister, Michael G. Organ. Chem. Eur. J.2026. DOI: 10.1002/chem.71749
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