催化之谜揭开：首次观察到“难以证明”的催化中间体！

在化学反应中，中间体是在反应物转化为产物过程中形成和消耗的物质。因此，了解这些中间体对于改善反应途径和开发高效催化剂至关重要。例如，含氮化合物构成了大约90%的药物的主干，在材料科学中是必不可少的。因此，识别胺化反应中涉及的中间体(其中氮基官能团被引入烃原料中)是非常重要的。
基础科学研究所（IBS）的研究人员已经通过实验证实了催化胺化反应过程中产生的过渡金属 - 氮样中间体的结构和性质。
鉴于此，近期由韩国基础科学研究院(IBS)催化烃类功能化研究中心组长张淑福(音译)带领的研究小组在掌握催化反应中关键中间体的结构和反应活性方面取得了重大进展。这种中间体，被称为过渡金属-类氮酰胺，在将碳氢化合物转化为酰胺的过程中起着至关重要的作用，酰胺是制药和材料科学领域的重要物质。
金属酰基硝烯类物质被提出作为关键的催化中间体，这导致了有价值的含氮分子，包括内酰胺和丙烯酰胺，被认为是药物和生物活性天然产物中的重要支架。
研究人员认识到了解胺化反应中反应中间体的结构和性质的重要性。特别是，利用过渡金属催化剂和二恶唑酮试剂的反应被发现对药物化学和材料科学非常有用，全世界有120多个研究小组为这一领域的发展做出了贡献。
从根本上理解这些反应的关键在于研究过渡金属催化剂与二恶唑酮试剂结合时形成的反应中间体的能力，这种反应中间体被称为金属-酰基氮素。众所周知，这些中间物种很难研究，因为它们的反应性很强，只能存在一段短暂的时间。此外，传统的催化反应通常发生在溶液中，中间物质与其他分子迅速反应，使其更难研究。
通过使用铑结合的二恶唑酮配位复合物的单晶，研究人员通过光晶体分析观察了广受欢迎的铑 - 酰基硝烯种类。当二恶唑啉酮与过渡金属催化剂反应形成金属酰基硝烯类化合物时，挤出CO2分子。在这里，在观察到的晶体结构中，CO2分子很好地存在于生成的Rh-硝烯类化合物和反阴离子之间。
为了应对这一挑战，IBS团队设计了一种使用x射线光晶体学的实验方法。此外，他们还专注于追踪固态而非液态溶液中的化学反应。为此，他们开发了一种新的双齿二恶唑酮配体的显色性铑配合物，其中光诱导金属到配体的电荷转移引发碳氢化合物源(如苯)的催化C-H酰胺化。
利用这个新设计的系统，研究人员合成了一种可分离的铑-二恶唑酮配合物。然后，通过同步辐射光诱导单晶x射线衍射分析(浦项加速器实验室)，他们首次成功地揭示了铑-酰基类硝基核中间体的结构和性质。此外，本研究还旨在实现固体相中铑-酰基亚硝基向外部亲核试剂转移的晶体学监测，从而提供了类硝基转移过程的完整机制快照。
研究人员还制备了铑 - 二恶唑酮和丙酮分子的共晶体，这使他们能够进行进一步的光晶体分析，以监测氮样向丙酮分子作为外部亲核试剂的转移。这些结果证实了铑-酰基硝烯类中间体的亲电反应性。
这一突破性的研究标志着与先前在涉及金属-类氮酰胺中间体的催化领域的研究相比，向前迈出了重要的一步。通过观察催化反应中的金属-类氮中间体，本研究为其反应性提供了重要的见解。这些发现有望为今后开发出更具活性和选择性的烃类胺化反应催化剂做出贡献。
研究强调了这一发现的重要性，通过实验捕获了过渡金属-类氮酰胺中间体，它的存在只是假设，很难证明。研究指出，这一成果将为设计高活性和选择性催化剂提供重要线索，这些催化剂可能在各个行业都很有用，甚至可能有助于“通用催化剂”的发展。
参考文献
Mechanistic snapshots of rhodium-catalyzed acylnitrene transfer reactions by Hoimin Jung, Jeonguk Kweon, Jong-Min Suh, Mi Hee Lim, Dongwook Kim and Sukbok Chang, 20 July 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.adh8753