铱催化的乙二醇和甲醇与乳酸的选择性交叉偶联外文翻译资料

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铱催化的乙二醇和甲醇与乳酸的选择性交叉偶联

摘要：我们报道了一种前所未有的具有高选择性的原子经济的合成方法，它是通过使用廉价和大量的乙二醇和甲醇在催化条件下进行脱氢交叉偶联。我们的方法依赖于一种新型铱催化剂的合成和利用，该催化剂含有三个由1.3-二基苯并咪唑盐衍生的N-杂环卡宾配体，它们与一种金属配体结合来催化反应生产乳酸(周转频率(TOF)可达3660h^-1)。

乳酸（LA）及其衍生物是重要的中间分子，由于其广泛的应用，已引起科学家的广泛关注，预计到了2022年，市场需求将达到每年4times;10⁵吨。 然而，由于传统的化学催化和发酵工艺的局限性，乳酸的全球生产能力不足。最近，已经开发了两种催化脱氢方法，分别是通过从山梨醇（C6，图1a）或甘油（C3）（C3，图1b）来生产乳酸，这两种方法都是环保且经济的。人们通常认为二羟基丙酮（DHA）和甘油醛（GAL）是这两种转化的关键中间体。（图1）然而，主要的副产物包括乙二醇（EGO）、甲醇（MeOH）、乙醇醛和可能由甘油醛中C-C裂解产生的甲醛，是实现这些转化高选择性的主要负面影响。

1：一种前所未有的乙醇合成策略

2：利用廉价的生物质原料

3：辛醇类化合物的高选择性C-C交叉偶联。

图1：乳酸合成的催化转化方法

因为脱氢反应在构建C-C键方面，特别是体现在醇的甲基化过程中表现出的巨大潜力，所以理论上，乙二醇和甲醇之间的交叉偶联（从C2 C1到C3）应该是可能的。这一新方案不仅为乳酸的生产提供了一条简单、原子经济的合成路线，而且可以抑制山梨醇和甘油脱氢过程中的副反应，从而进一步提高乳酸的选择性和产率。此外，乙二醇和甲醇都是廉价的、可再生的、含量庞大的醇类物质，在2016年，它们的全球生产能力分别为3400万吨和8000万吨，这一特点使它们成为了借氢交叉偶联反应的诱人原料配方。

然而，直接催化乙二醇和甲醇之间的交叉偶联是具有挑战性的，因为可行的催化剂所含基团必须是具有双功能性的，它不仅应该同时选择性地将乙二醇和甲醇脱氢为甲醛和乙醇醛，而且还应选择性地加速醛醇式型结构交叉偶联以生成甘油醛，而不是醛的同类相互偶联或过氧化、酯化，或自我本身的聚合。因此，金属-配体的协同性对于假设的转化至关重要。在此，我们通过乙二醇和甲醇之间的脱氢交叉耦合反应实现了第一个乳酸合成的选择性方案（图1c），其中所有可能出现的副产物都被显著抑制。这是通过使用一种新型高活性铱（Ir）催化剂来实现的，该催化剂含有三种N-杂环卡宾（NHC），这些卡宾来自咪唑（即1.3-二甲基苯并咪唑）盐。这3种NHC-Ir络合物具有优异的催化活性和选择性，转化频率（TOF）可以高达3660 h^-1。配体效应可促进电子从Ir（I）中心去除，同时甲醇和乙二醇脱氢，从而使Ir（I）中心离子容易氧化，在催化循环中生成活性Ir（III）物种。

据报道，NHC-Ir配合物在多元醇脱氢反应和其他反应中起到了双功能性催化剂的作用。在克莱布特里的标准反应条件下，曾从C3到C3转化混合物中成功分离出一种含有三个氮杂环卡宾结构的单核Ir二氢化物络合物（产率低，约5-10%）。不幸的是，这种tris-NHC-Ir化合物在评估其催化潜力之前就已经被分解，随后我们再次尝试将其从混合物中分离出来，但没有成功。NHC作为强pi;-供体和弱sigma;-受体，广泛用于调节各种反应的活性和选择性。在这里，我们假设pi;-环尺寸和/或Ir络合物配位球内氮杂环卡宾配体结构的数量可以提高Ir原子中心的空间体积和电子密度，这种假设条件可能有助于活性tris-NHC-Ir化合物的形成和催化功能。

因此，使用1,3-二甲基咪唑（2S₁:Im）或1,3-二甲基苯并咪唑（S₂:BenIm）碘化物合成了一系列含有一到三个氮杂环卡宾结构的NHC-Ir配合物。单NHC-Ir（I）配合物^（1a-b）由S₂和[Ir（COD）Cl]₂（COD=1,5-环辛二烯）与KOtBu（tBu=叔丁基）以良好的产率（约90%，如图2）制备。在与CO进行配体交换后，以89-93%的产率获得配合物1c-d。使用[Ir（COD）Cl]₂和相应的盐（S1或S2），以NaH为碱，以中等产率合成了双NHC-Ir（I）配合物（图2中2aa、2ba和2bb）。随后的配体交换以优异的产率（95-96%）得到配合物2ab、2bc和2bd。利用Ir（acac）（CO）₂（acac=乙酰丙酮），成功合成了tris-NHC-Ir（I）络合物3b，而且直接分离了带有两个氢的三氮杂环卡宾-铱（III）络合物3a-2H，而不是预期的tris-NHC-Ir（I）络合物3a。重要的是，配合物3a-2H和配合物3b在固态下能够稳定（25℃下保质期超过3个月），在溶液中相对稳定几天（例如，甲醇和二氯甲烷）。令人满意的是，通过在25℃、i-PrOH中用过量的NaBH₄处理配合物3b，可以比较容易以中等产率（gt;48%）从3b配合物中制备含二个氢的络合物3b-2H。

在这之后，用单晶x射线确定了配合物2bd和配合物3b的详细晶体学结构。复合物2bd包含一个Ir(I)中心，其中包含两个氮杂环卡宾配体和两个CO配体，采用了类似于2ab的顺式正方形平面几何结构。配合物3b的晶体结构分析(图S39，表S4)清楚地表明，Ir(I)中心连接到三个氮杂环卡宾配体和一个CO配体，并且再次形成一个正方形的平面几何形状。配合物3b的平均Irminus;C_NHC键距离为2.059（6）A，相较于配合物2bd（2.06（8）A）略短一些，这说明配合物3b的Irminus;C_NHC键间相互作用能力更强。

采用密度泛函理论(DFT)计算，阐明了含有不同数量氮杂环卡宾结构的Ir碳基配合物的电子性质。计算结果表明，电离势(IPs，在eV中)与氮杂环卡宾结构的数量成反比相关。电离势遵循[Ir(Im)(CO)₃] （12.4）gt;[Ir(Im)₂(CO)₂] （11.0）gt;[Ir(Im)3(CO)] （9.7）的趋势，这可以归因于氮杂环卡宾的强sigma;-捐赠性和弱pi;-接受特性。此外，可以通过扩大氮杂环卡宾的的pi;-偶联作用来进一步降低电离势：[Ir(BenIm)(CO)₃) （11.7）gt;[Ir(BenIm)₂(CO)₂] （10.5）gt;[Ir(BenIm)3(CO)) （9.6）。正如我们所预期的，所有的这些结果表明，配体效应可以促进电子从初始配合物中去除电子，导致Ir(I)容易氧化，产生所需要的Ir(III)物种。

图2：a）单NHC-Ir(I)配合物1a-d，b）双NHC-Ir(I)配合物2aa-bd，和c）三NHC-Ir配合物3a、3a-2H、3b、3b-2H的合成。

然后，我们以具有tris-NHC-Ir(I)配合物3b为催化剂，研究了乙二醇和甲醇通过脱氢交叉偶联反应制备乳酸的可行性。反应在140°C下进行，在500ppm下配合物3b催化剂，5mmol乙二醇和1.5倍相同单位量的Ba(OH)₂·8H₂O存在的条件下，与大量过量的甲醇（2mL）反应制备，乳酸在1小时内形成，定量产率高（基于乙二醇的含量），具有良好的选择性，这显示出配合物3b的高催化活性。（图3）由于这一良好的结果，我们进一步考察了其他反应的反应参数，包括溶剂、碱和反应温度(表S₁)。值得注意的是，当使用水、乙醇或其他伯醇等质子溶剂时，乳酸的产率和选择性显著下降；在无溶剂的情况下也能观察到类似的下降(表S₁，条目1-6)。为了强调甲醇起到的关键作用，我们发现所有与替代溶剂体系的反应都产生了聚乙二醇作为主要的副产品。此外，将甲醇的量从10减少到5或2等单位量。导致产量较低(gt;99%vs.83%或57%，表S1，条目7-8)。

图3：选择的Ir和Ru配合物1-10在乙二醇和甲醇制备乳酸的脱氢交叉偶联中的催化活性(用5mmolEGO，500ppm催化剂，1.2等单位量的Ba(OH)2·8H₂O和2mL甲醇在140℃下处理1h。星号表示在250ppm处的催化剂负载)

碱基Ba(OH)₂也对转化产生了重大影响。碱金属氢氧化物包括氢氧化锂、氢氧化钠和氢氧化钾均表现出较低的反应活性(表S1，条目9-11)，而与氢氧化钙没有发生反应，可能是由于其溶解度较差(表S₁，条目12)。当Ba(OH)₂含量降低到1.2单位量时，仍然能够定量得到乳酸。在进一步降低Ba(OH)₂的量到1.0单位量，结果的产量略有下降（95%），同时产生少量副产物乙醇酸(~3%，通过高效液相色谱评估；表S₁，条目13-14)。较低的温度也会导致较低的产量(表S₁，条目15-16）。

在优化后的反应条件下，还考察了其他的NHC-Ir配合物：催化效率沿单氮杂环卡宾lt;双氮杂环卡宾lt;三氮杂环卡宾的排列顺序增加，配合物3b相比其类似的化合物物3a-2H（1500h^minus;1)表现出更高的转化频率（2000 h^minus;1）。这些结果的产生情况可能归因于我们的假设，即增加pi;-NHC的环尺寸可以促进Ir（I）氧化为Ir（III）物种，提高催化性能。此外，还研究了几种可行的Ir和Ru催化剂（4-10），它们在几种脱氢反应和交叉偶联反应中都表现出良好的催化活性（图3）。其中，钳形Ru-PNP络合物（9和10）^[5a，13b]表现出良好的转化频率（900h^-1左右） ，进一步证明配合物3b具有优异的催化活性（转化频率约2000 h^-1）。当配合物3b催化剂负载量降至250 ppm时，获得的转化频率值高达3540 h^-1（图3），并且用固体配合物3b-2H观察转化频率甚至略高达到3660h^-1。令人高兴的是，当催化剂负载量低至25 ppm（表S₁，条目18）时，反应仍在顺利进行，在48小时内以定量产率产生乳酸，周转数（TON）高达4times;10⁴。

我们随后进行了几个对照实验。在相同的反应条件下，商业化的Ir/C和新鲜制备的Ir纳米颗粒在反应中表现出更低的化学活性(1-3%，表S2，条目1-2)。汞中毒实验排除了任何纳米颗粒参与的可能性(表S₂，条目3)。相比之下，添加过量的PPh₃显著抑制了反应过程的转化频率(从2000h^-1到134h^-1，表S₂，条目4)，表明PPh3可以取代氮杂环卡宾。这些结果表明，配合物3b在反应中表现为均质分子催化剂。

对反应混合物的二氯甲烷提取物的高分辨质谱(HR-MS)分析中(图4a和S₃₆)显示，无论是加入配合物3b还是配合物3b-2H，我们都观察到3b(质荷比：659.23）和3b-2H（质荷比：661.23，图4a)的离散信号。此外，我们还发现了一个Ir配合物Ir(BenIm)3 I(质荷比：631.23，图4a)在一个在质荷比为693.22处也有峰值(图4a)，这被认为是还有2个结合氢NHC-Ir(III)配合物V，与乙醇醛配位。然后进行了¹H的核磁光谱研究。当配合物tris-NHC-Ir(III)3a-2H在CH₃OH/CD₃OD（1：1）与过量的氢氧化钾的混合体系中时，在60°C中加热1小时（条件类似于交叉耦合反应），两个氢化物信号分别出现在minus;8.53和minus;11.70ppm(图4b)。二维相关谱(2D-COSY)中的相关性表明，氢化物采用顺式构型(图S30)，这种构型与之前报道的钳状配合物相似。在trisNHC-Ir(I)3b配合物在氢氧化钾下与混合CH₃OH/CD₃OD(图4b)加热实验中，两个几乎相同的氢化物信号被¹HNMR谱检测到，这意味着tris-NHC-Ir(I)3b配合物可以转化为顺氢化物物种tris-NHC-Ir(III)3b-2H，进一步支持2D-COSY研究(图S31)。当类似的测量应用于在i-PrOH条件下含有过量硼氢化钠的配合物3b-2H时，(图2c)¹H核磁共振光谱不仅表明出了顺式

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