鋁催化重大突破！

鋁在地殼中的含量超過(guò)8%，是含量最豐富的金屬元素。歷史上，鋁催化主要利用其穩(wěn)定的+III氧化態(tài)所固有的路易斯酸性。由于其獨(dú)特的低電負(fù)性（1.61）——在p區(qū)元素中最低——以及不存在惰性對(duì)效應(yīng)，鋁在參與催化氧化還原轉(zhuǎn)化時(shí)面臨著巨大的內(nèi)在挑戰(zhàn)。

鑒于此，南方科技大學(xué)劉柳教授報(bào)道了一種基于低配位數(shù)卡巴唑基鋁烯（carbazolyaluminylene）的Al(I)/Al(III)氧化還原催化體系，首次在主族金屬鋁上實(shí)現(xiàn)了完整的催化循環(huán)——包括氧化加成、雙重插入、異構(gòu)化及還原消除，這些步驟此前被視為過(guò)渡金屬催化機(jī)理的專(zhuān)屬特征。利用這一Al(I)/Al(III)氧化還原循環(huán)，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了高區(qū)域選擇性的Reppe型炔烴環(huán)三聚反應(yīng)，最高轉(zhuǎn)化數(shù)（TON）達(dá)2290，合成了一系列苯衍生物。通過(guò)X射線晶體學(xué)與量子化學(xué)計(jì)算，研究揭示了卡巴唑基配體中氮原子的幾何動(dòng)態(tài)變化如何精準(zhǔn)調(diào)控鋁中心的配位環(huán)境，從而打通了從Al(III)重新回到Al(I)的還原消除通道。這一工作不僅從概念上深化了對(duì)主族氧化還原催化的理解，也為未來(lái)以鋁為核心的可持續(xù)催化方法設(shè)計(jì)提供了全新范式。相關(guān)研究成果以題為“Aluminium redox catalysis enables cyclotrimerization of alkynes”發(fā)表在最新一期《nature》上。

鋁催化的概述與挑戰(zhàn)

作者首先系統(tǒng)性概述了低價(jià)鋁化學(xué)的進(jìn)展與本工作定位。自1991年Schn?ckel分離首個(gè)穩(wěn)定Al(I)物種(Cp*Al)?以來(lái)，雖陸續(xù)合成鋁烯、二鋁烯、鋁基負(fù)離子等低價(jià)態(tài)化合物，但均停留于化學(xué)計(jì)量反應(yīng)，Al(I)/Al(III)催化循環(huán)始終未能實(shí)現(xiàn)（圖1a時(shí)間軸顯示）。圖1b左側(cè)梳理Al(I)與炔烴反應(yīng)的先例：鋁雜環(huán)丙烯、鋁雜環(huán)戊二烯已有實(shí)驗(yàn)確證（實(shí)線），而鋁雜環(huán)戊二烯→鋁雜環(huán)庚三烯→還原再生Al(I)則僅見(jiàn)于DFT計(jì)算（虛線），關(guān)鍵中間體缺乏譜學(xué)證據(jù)。圖1b右側(cè)以紅色箭頭標(biāo)出本研究核心目標(biāo)：通過(guò)捕獲并推動(dòng)鋁雜環(huán)庚三烯的還原消除，首次打通Al(I)/Al(III)氧化還原催化循環(huán)，實(shí)現(xiàn)炔烴環(huán)三聚反應(yīng)。

圖 1. 鋁催化的概述與挑戰(zhàn)

化學(xué)計(jì)量步驟：Al(I)/Al(III)循環(huán)的分步實(shí)驗(yàn)確證

研究首先通過(guò)化學(xué)計(jì)量反應(yīng)逐一驗(yàn)證了鋁氧化還原循環(huán)的每一步（圖2a）。鋁烯1與2.0當(dāng)量三甲基硅基乙炔（5a）在室溫下5分鐘內(nèi)完全反應(yīng)，以1:1比例生成異構(gòu)的鋁雜環(huán)戊二烯2與3。單晶X射線衍射確證了其結(jié)構(gòu)（圖2b）。當(dāng)向2與3的混合物中加入等摩爾5a，室溫反應(yīng)8小時(shí)后，鋁雜環(huán)庚三烯4以定量收率分離。4具有平面七元AlC?環(huán)結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵突破發(fā)生在熱解步驟：4在100°C加熱5分鐘即定量生成1,2,4-三(三甲基硅基)苯（6a）并再生鋁烯1，且1在100°C加熱48小時(shí)未見(jiàn)明顯分解。這標(biāo)志著從Al(III)到Al(I)的還原消除路徑已被成功打通。

值得注意的是，從2→4的插入反應(yīng)中，氮原子N(1)的幾何構(gòu)型呈現(xiàn)微妙變化：2、3、4中N(1)周?chē)I角和分別為348.8°、352.9°、352.3°，呈輕微三角錐化；Al(1)與相鄰芳環(huán)的最短距離介于2.933(2)?至3.200(2)?，顯著短于Al–C范德華接觸距離（3.54?），表明次級(jí)相互作用對(duì)中間體具有穩(wěn)定效應(yīng)。

圖 2. 通過(guò)與鋁烯的化學(xué)計(jì)量反應(yīng)實(shí)現(xiàn)烯烴環(huán)三聚化

催化條件優(yōu)化：溫度決定成敗，溶劑調(diào)控關(guān)鍵

以2 mol%鋁烯1為催化劑，6a的分離收率在60°C時(shí)為8%，80°C時(shí)升至35%，100°C時(shí)2小時(shí)內(nèi)可達(dá)98%（圖3a）。反應(yīng)表現(xiàn)出卓越的區(qū)域選擇性：僅檢測(cè)到1,2,4-三取代苯異構(gòu)體，1,3,5-異構(gòu)體完全不可檢測(cè)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)證實(shí)，無(wú)1、或使用[N]-H、[N]-AlI、Al(OTf)?、AlI、AlBr?、AlCl?、AlEt?、Al(C?F?)?均無(wú)催化活性。溶劑效應(yīng)顯著：苯、甲苯有效；CHCl?與CH?Cl?導(dǎo)致N–Al鍵斷裂；THF則與Al(III)中間體2、3形成穩(wěn)定配位加合物，使催化完全停止。

圖 3. 通過(guò)與鋁的催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)烯烴環(huán)三聚化

機(jī)理確證：動(dòng)力學(xué)與DFT揭示限速步驟與配體動(dòng)態(tài)調(diào)控

為確證2、3、4均為循環(huán)內(nèi)催化活性中間體，研究分別以分離的1、2、3、4為預(yù)催化劑在相同條件下反應(yīng)，結(jié)果6a收率高度一致（98%、97%、97%、98%）。原位1H NMR監(jiān)測(cè)顯示催化過(guò)程中4、5a、6a共存，反應(yīng)結(jié)束時(shí)體系僅存2、3與6a。動(dòng)力學(xué)研究表明反應(yīng)對(duì)底物5a呈偽零級(jí)（斜率0.38），對(duì)催化劑1呈一級(jí)，表觀速率常數(shù)k_obs = 5.0×10?? min?1。結(jié)合催化活性物種的確證，可明確4→1的熱還原消除為決速步。

DFT計(jì)算進(jìn)一步揭示了區(qū)域選擇性與配體動(dòng)態(tài)調(diào)控的本質(zhì)（圖4）。5a中炔碳的自然電荷分別為C(1) -0.48 a.u.、C(2) -0.21 a.u.，負(fù)電荷更集中的C(1)優(yōu)先與正電性鋁中心作用，決定了4的區(qū)域?qū)Ｒ恍孕纬?。更為精妙的是氮原子?gòu)型翻轉(zhuǎn)對(duì)反應(yīng)能壘的調(diào)控：當(dāng)N(1)保持平面化（鍵角和358.2°）時(shí)，4直接異構(gòu)化至鋁雜降蒈二烯INT1A的能壘高達(dá)71.3 kcal mol?1，鋁中心被卡巴唑基配體的3,5-二叔丁基苯基臂以η?-芳烴配位方式嚴(yán)密包裹；而當(dāng)N(1)三角錐化（鍵角和331.3°）時(shí)，鋁雜庚三烯環(huán)被推出位阻口袋，自發(fā)屈曲為船式構(gòu)型，過(guò)渡態(tài)TSIB的能壘驟降至29.8 kcal mol?1。這一氮原子幾何動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)僅需約5 kcal mol?1，卻使還原消除路徑得以開(kāi)啟，最終經(jīng)TS2B（14.9 kcal mol?1）生成6a并再生1。配體的構(gòu)象適應(yīng)性，正是鋁氧化還原催化得以實(shí)現(xiàn)的核心密碼。

圖 4. 異構(gòu)化與還原消除的機(jī)制性研究

底物范圍與催化效率：TON高達(dá)2290，區(qū)域選擇性超越經(jīng)典過(guò)渡金屬體系

該催化體系展現(xiàn)出寬廣的底物普適性（圖5a）。芳基乙炔上對(duì)位甲基、三甲基硅基、烷氧基，以及鄰/間/對(duì)位氟、氯、溴取代基均能順利反應(yīng)，高產(chǎn)率得到環(huán)三聚產(chǎn)物（6c–6m）。多環(huán)芳烴及大位阻底物如1-乙炔基-2-苯基苯、2-乙炔基萘、9-乙炔基菲均可兼容。含硫雜環(huán)6-乙炔基-4,4-二甲基硫代色烷同樣順利環(huán)化。6f、6m、6n為首次合成，其中6n經(jīng)單晶X射線衍射確證。內(nèi)炔亦能反應(yīng)（6s–6u），但對(duì)稱二烷基內(nèi)炔區(qū)域選擇性有所下降（6t，67:33）。與之對(duì)比，經(jīng)典過(guò)渡金屬催化（Mo、Co、Fe）的Reppe反應(yīng)區(qū)域選擇性通常低于95/5，而本體系在絕大多數(shù)底物中實(shí)現(xiàn)>95/5的區(qū)域選擇性，部分底物達(dá)100:0。

在催化效率方面（圖5b），以5a為底物，催化劑載量降至0.5 mol%時(shí)收率98%（TON 196），0.3 mol%時(shí)收率96%（TON 320），0.1–0.07 mol%時(shí)收率93–87%（TON最高1243），最終在0.034 mol%載量下實(shí)現(xiàn)77%收率，TON高達(dá)2290。這一數(shù)值遠(yuǎn)超二鍺炔催化的15–35，并與鉍氧化還原催化中1640（氫脫氟）和6700（N?O活化）等前沿成果形成呼應(yīng)。

圖 5. 通過(guò) Al（I）/Al（III）氧化還原循環(huán)實(shí)現(xiàn)的烯烴環(huán)三聚化

總結(jié)與展望：主族氧化還原催化的“鋁”途黎明

在Schn?ckel分離首個(gè)穩(wěn)定Al(I)物種三十余年后，本研究證明：借助配體的精妙設(shè)計(jì)，鋁烯能夠完整執(zhí)行Al(I)/Al(III)之間的氧化加成、雙重插入、異構(gòu)化、還原消除四步基元反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)炔烴環(huán)三聚催化循環(huán)。氮基配體構(gòu)象適應(yīng)性的發(fā)現(xiàn)，為調(diào)節(jié)主族金屬配位環(huán)境、降低還原消除能壘提供了普適性策略。盡管本研究尚屬鋁氧化還原催化的概念驗(yàn)證，但可以預(yù)見(jiàn)：隨著配體工程領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，鋁——這一地殼最豐富的金屬——將循著過(guò)渡金屬的發(fā)展足跡，邁向更廣闊的催化應(yīng)用疆域。