确定催化过程中反应中间体的结构和电子性质，对于阐明反应机理，进而设计出具有更高效率和选择性的新型催化剂至关重要。这种努力一直是腈和碳烯化学领域的核心研究重点之一，其中金属腈和碳烯物被视为过渡金属催化烃功能化过程中的关键中间体。这些中间物种由于其高反应活性而难以研究，这使得它们只能存在短暂的时刻。
目前对于金属类硝基苯甲醚中间体的鉴定已经成为可能，但对酰基类硝基苯甲醚同系物的相关研究却相对滞后，这主要是因为N-酰基取代基极大地降低了类硝基苯甲醚物种的稳定性，并产生了各种分解途径。含氮化合物构成了大约90%的药物的骨架，并且在材料科学中至关重要。因此，识别胺化反应（将氮基官能团引入烃原料中） 所涉及的中间体非常重要。铑酰基氮烯配合物广泛参与催化C-H酰胺化反应，但一直未能进行分离和结构表征。
为此，韩国基础科学研究所、ACS Catalysis副主编Sukbok Chang教授通过鉴定催化烃胺化反应中铑-酰基氮烯类中间体的结构和反应性，取得了突破性的发现。作者团队通过对一种含有双齿二恶唑酮的八面体铑络合物进行光晶体学实验，确定了一种正式的铑-酰基中间体的结构特征，并将其鉴定为光催化C-H酰胺化反应的活性中间体。此外，作者团队还证明了一个假设，即观察到的类硝基苯甲醚等同于溶液相反应中的活性催化中间体，他们通过将Rh-酰基类硝基苯甲醚转移到共晶体的外部亲核剂，在晶体基质中展示了连续的断键和成键事件，从而提供了一个晶体图谱上可追踪的固态反应系统，用于观察漏失的催化中间体。
技术方案：
1.设计一种双齿二恶唑酮配体的发色八面体铑配合物并利用光诱导引发催化C-H酰胺化
作者制备了具有二齿二恶唑酮配体的光响应八面体铑配合物，从二恶唑酮中获得了阳离子铑结合的二恶唑酮配合物[Rh2]PF6和[Rh2]BArF相应的双环金属化铑(III)配合物[Rhl]X的二氯甲烷溶液。使用 [Rh2]BArF 晶体在 100 K 温度下并使用外部光源 (370 nm) 进行光激发来监测 Rh-酰基氮素的晶体形成。以苯为底物，对[Rhl]PFs和二恶唑酮1在二氯甲烷中的混合物进行370 nm照射，观察到定量的C(sp2)-H胺化([Rh4]PF6)。
2.使用光诱导单晶X射线衍射分析研究铑-二恶唑酮配位络合物
作者使用[Rh2]BArF晶体在100 K温度下并使用外部光源(370nm)进行光激发来监测Rh-酰基氮素的晶体形成，观察到成分无序的Rh-酰基氮素的形成以及结晶基质中挤出的CO2分子[Rh3(BArF(CO2))。
技术优势：
1. 捕获了Rh-酰基氮烯类中间体形成的瞬间
设计了一种带有二齿二恶唑酮配体的发色八面体铑配合物，通过光诱导的金属到配体的电荷转移引发催化C-H酰胺化。Rh-二恶唑酮复合物的X射线光晶体分析可以阐明目标Rh-酰基氮烯类化合物的结构，并提供确凿的证据证明单线态氮烯类化合物主要负责酰基氨基转移反应。
2. 监测了亲核试剂与原位生成的Rh-酰基氮烯类化合物的晶体反应
对[Rh2](PF6)(丙酮)进行X射线光晶体学实验。值得注意的是，在 135 K（370 nm）的光照射下，单晶 X 射线衍射数据表明，共结晶的丙酮确实并入原位生成的 Rh-酰基氮烯中，导致 19% 的组成无序的二恶唑部分（[ Rh6]PF6) 30 分钟后。
技术细节
设计新型发色铑配合物
提出了一种发色铑配合物，帮助我们解决这些长期存在的挑战。这种包含二齿二恶唑酮的八面体 Rh 配合物的光晶体学实验能够对正式的 Rh-酰基氮烯中间体进行结构表征，该中间体被确定为光催化 C-H 酰胺化反应的活性中间体。
图 表征过渡金属氮素在催化 C-H 胺化中的中介作用
获得Rh-二恶唑酮配合物及其光化学产物
由于受到二恶唑酮与金属中心的低结合亲和力的困扰，分离或通过光谱检测假定的金属-酰基硝基苯酚中间体一直存在一定困难。Sukbok Chang教授及其合作者精心设计了催化系统来形成过渡金属结合的二恶唑酮前体，并以受控方式选择性地触发它们随后脱羧成指定的金属酰基氮烯类物质。为了选择性诱导脱羧，他们制备了具有二齿二恶唑酮配体的光响应八面体铑配合物，并且成功地从二恶唑酮中获得了阳离子铑结合的二恶唑酮配合物 [Rh2]PF6 和 [Rh2]BArF相应的双环金属化铑(III)配合物[Rhl]X的二氯甲烷溶液。
图 了解Rh-二恶唑酮复合物及其光化学性质
光诱导晶体学获得 Rh-酰基氮素中间体
在建立了光不稳定但可分离的 Rh-二恶唑酮系统 [Rh2] 后，作者通过光照射获得广受欢迎的 Rh-酰基氮烯类中间体。然而，他们所有在溶液相中捕获这些转瞬即逝的金属酰基氮素中间体的尝试都被证明是不成功的。因此，作者设想通过 X 射线光晶体学方法观察 Rh-酰基氮烯类物质，因为 [Rh2] 显示出较低的光化学活化势垒。在随后的努力中，使用 [Rh2]BArF 晶体在 100 K 温度下并使用外部光源 (370 nm) 进行光激发来监测 Rh-酰基氮素的晶体形成，我们很高兴地观察到成分无序的 Rh-酰基氮素的形成 以及结晶基质中挤出的 CO2 分子 [Rh3(BArF(CO2))。
图 在晶体中获得Rh-酰基氮烯类化合物
光诱导催化C-H酰胺化的探索
受到通过X射线光晶体学成功捕获Rh-酰基硝基雷诺化合物[Rh3]的鼓舞，作者试图观察其对碳氢化合物底物的反应性。以苯为底物，对[Rhl]PFs和二恶唑酮1在二氯甲烷中的混合物进行370 nm照射，观察到定量的C(sp2)-H胺化([Rh4]PF6)。类似地，以环己烷为底物（[Rh5]PF6,72%），化学计量的C(sp3)-胺化也成功，并且所得产物的结构通过X射线晶体分析证实。值得注意的是，[Rhl]PF和二恶唑酮1在二氯甲烷中仅在没有烃偶联伙伴的情况下导致分解。
图 Rh-二恶唑酮配合物的光化学反应性
酰基氮素转移至 C-H 键的机理考虑
随着催化反应性的成功验证，作者开始研究与催化 C-H 酰胺化反应相关的 Rh-酰基氮素的电子结构和自旋状态。当含有对映体富集的叔C(sp3)–H中心的底物受到影响时，在胺化产物(R)-14中观察到立体化学的完全保留。这一结果表明，反应通过涉及单线态氮烯化合物1[Rh3]的协调C-H插入途径进行。此外，环己烷和环己烷-dr底物之间的分子间竞争实验在室温下得到的动同位素效应（KIE）值为2.13（图5B），明显低于获得的典型KIE范围8~11。
虽然二恶唑酮的光活化是在三重态表面引发的，但上述实验强烈表明，观察到的随后C-H酰胺化的反应性是由自旋交叉后的单线态Rh-酰基氮烯1[Rh3]促进的。为了更深入地了解所提出 Rh-酰基氮素物种的电子结构，作者进一步对1[Rh3]的DFT优化结构进行了CASSCF计算。CASSCF计算给出了Rh(III)-酰基氮烯特征的主要构型(81%)，而Rh(V)-酰亚氨基特征的次要贡献(7%)作为Rh(III)-酰基氮烯的多构型态共存。
图 Rh-酰基氮烯转移至C-H键的机理研究
Rh-酰基氮烯向外部亲核试剂转移的晶体学监测
对[Rh2](PF)(丙酮)进行X射线光晶体学实验。在 135 K（370 nm）的光照射下，单晶 X 射线衍射数据表明，共结晶的丙酮确实并入了原位生成的 Rh-酰基氮烯中，导致 19% 的组成无序的二恶唑部分（[ Rh6]PF) 30 分钟后。在这种光诱导晶体转化过程中，二恶唑酮基序的两个键断裂，同时形成两个新键，产生二恶唑支架这种晶体到晶体的转变涉及一系列机械步骤，包括高度瞬态中间体的生成，然后由外部分子进行分子间捕获，所有这些都发生在固态。这与[Rh3](BArF)(CO2)的情况不同，在[Rh6]PFs的晶体结构中没有检测到挤出的CO2。此外，这种晶体反应性与我们在溶液相中观察到的实验结果一致。除了原位生成的 Rh-氮烯化合物本身的高亲电子性质之外，即使在固相中，[Rh6]PF的光化学形成也可归因于 [Rh2] 晶体结构中丙酮和二恶唑酮核之间的距离较近。(PF)(丙酮)。作者认为，这种对晶体基质中反应进程的监测是一个额外引人注目的机制快照，它验证了酰基氨基转移反应中Rh-酰基氮烯类中间体的作用。
图 Rh-二恶唑酮光诱导形成Rh-二恶唑
了解化学反应中的中间体对于改善反应途径和开发高效催化剂至关重要，传统的催化反应通常发生在溶液中，中间物质会在非常短时间内与其他分子发生反应，从而导致研究它们变得非常困难。Sukbok Chang教授及其合作者通过设计了一种使用X射线光晶体照相术的实验方法，专注于追踪固态而不是液态溶液中的化学反应，并取得了重要发现，这些发现预计将有助于未来开发用于烃胺化反应的更具反应性和选择性的催化剂。这项研究标志着中间体的催化领域向前迈出了重要一步。
参考文献：
Jung H, Kweon J, Suh J M, Lim M H,Chang S*. Mechanistic snapshots of rhodium-catalyzed acylnitrene transfer reactions.Science, 2023: eadh8753.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh8753
