镍-铝异金属配合物催化C(sp2)–H键活化的机制研究

一、研究团队与发表信息
本研究由Joseph A. Zurakowski（加拿大西安大略大学与温莎大学联合培养）、Benedek Stadler（英国帝国理工学院）、Marcus W. Drover（西安大略大学）和Mark R. Crimmin（帝国理工学院）共同完成，以《C(sp2)–H Bond Activation with a Heterometallic Nickel-Aluminium Complex》为题，于2025年发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊（DOI: 10.1002/anie.202512684）。

二、学术背景与目标
科学领域：该研究属于过渡金属催化与C–H键活化领域，聚焦于镍-铝异金属配合物的协同催化机制。
研究动机：尽管镍/铝双组分催化剂已广泛用于吡啶C–H键功能化反应，但其反应机制尚不明确。现有研究多关注单一键断裂步骤，缺乏对多步反应序列（如C–H活化与H₂消除协同过程）的深入理解。
研究目标：
1. 合成新型镍-铝异金属配合物，明确其结构特征；
2. 揭示配体（如PCy₃）加速C–H键活化的机制；
3. 通过动力学、同位素标记和理论计算，阐明反应路径的能垒与限速步骤。

三、实验流程与方法
1. 配合物合成与表征
- 步骤1：将[(BDI)AlH₂]（BDI = 2,6-二异丙基苯基-β-甲基二酮亚胺）与[Ni(COD)₂]（COD = 1,5-环辛二烯）在甲苯-d₈中室温反应，生成红色异金属双氢配合物[(η⁴-COD)Ni(μ-H)₂Al(BDI)]（2）。
- 步骤2：加入4-二甲氨基吡啶（DMAP）捕获中间体，获得五配位铝的加合物2·DMAP（产率74%）。
- 表征技术：通过¹H NMR（δH = –3.27 ppm的氢桥信号）、X射线衍射（Ni–Al距离2.1953 Å）和DFT计算验证结构。

2. C(sp2)–H键活化实验
- 步骤3：在室温下，2·DMAP通过氧化加成断裂DMAP的C2–H键，生成产物3并释放H₂（产率61%）。
- 动力学研究：添加20 mol% PCy₃使反应速率提升4倍（kₒbₛ从1.3×10⁻³ min⁻¹增至6.2×10⁻³ min⁻¹），且反应对PCy₃呈一级动力学关系。
- 同位素标记：使用吡啶-d₅进行实验，测得动力学同位素效应（KIE）为0.9–1.1，表明C–H键断裂非限速步骤。

3. 理论计算
- 方法：采用TPSS-D4/def2-QZVPP//r2SCAN-3C级别DFT计算，结合ETS-NOCV和QTAIM分析电子结构。
- 关键发现：PCy₃通过配体交换生成高活性中间体Int-3（ΔG‡ = +17.5 kcal/mol），其η²-C–H键相互作用降低氧化加成能垒（TS-1, ΔG‡ = +18.2 kcal/mol）。

四、主要结果与逻辑链条
1. 结构特征：配合物2和2·DMAP的晶体结构证实了Ni–Al通过双氢桥键合（Ni–Al距离2.1953–2.3189 Å），铝中心配位数从4增至5。
2. 反应机制：PCy₃催化下，C–H键活化通过协同的氧化加成（Ni⁰→Ni²⁺）和H₂还原消除完成，且H₂释放可逆（加压H₂可逆反应）。
3. 电子结构：NBO分析显示Ni(0)/Al(III)为基态，反应中电荷向金属转移（Ni电荷从–0.11增至+0.19）。
4. 限速步骤：配体交换（COD→PCy₃）为速率决定步骤，而非C–H键断裂或H₂消除。

五、结论与价值
科学意义：
- 首次揭示了镍-铝异金属配合物中配体加速C–H活化的全流程机制，为设计高效催化剂提供理论依据。
- 证明C–H键活化和H₂消除在热力学上均易进行，反应速率受配体交换控制。
应用价值：
- 指导开发新型镍/铝催化体系，优化吡啶衍生物的区域选择性功能化（如药物分子修饰）。

六、研究亮点
1. 创新性发现：首次报道双氢桥镍-铝配合物的合成及其催化C–H键活化能力。
2. 方法学突破：结合实验动力学与多尺度理论计算，明确配体加速效应的原子级机制。
3. 普适性结论：提出“配体交换控速”原则，可拓展至其他异金属催化体系。

七、其他价值
- 支持信息包含晶体学数据（CCDC 2417828–2417832）和DFT坐标，为后续研究提供基准。
- 研究团队开发的r2SCAN-3C计算方法为强关联体系电子结构分析提供了新工具。

（全文约2000字）