聚吡啶（Polypyridine）配体连接的镍配合物广泛应用于各种交叉偶联反应来构建Csp2/sp3-C（杂原子）结构，这是因为它们具有在不同氧化态之间穿梭并参与电子转移反应的能力。然而，化学家们对这些反应的机理知之甚少，包括对聚吡啶配体支持的归中、歧化或还原事件中镍物种之间的电子转移，这也限制了该领域的创新。如图1a所示，几乎所有基于聚吡啶配体的镍催化反应都被认为在催化循环的某个阶段经历氧化还原变化，从而强调了电子转移可能在物种形成和/或催化周转中的关键作用。事实上，上世纪60年代的有机金属研究表明归中或歧化可以由配体骨架来控制，例如：σ-供体三苯基膦（PPh3）配体促进归中反应，而π-受体三苯基亚磷酸酯（P(OPh)3）配体则有利于歧化反应（图1b）。然而，总的来说，具有不同取代配体骨架的Ni(II)卤化物配合物有利于归中反应（图1c），但要想揭示聚吡啶-镍配合物催化交叉偶联反应的复杂机理仍极具挑战性。
近年来，西班牙加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）的Ruben Martin教授课题组研究表明催化C-O键官能团化反应要遵循与膦辅助配体的Ni(II)/Ni(0)循环，其中Ni(I)物种的生成显著阻碍了催化作用。然而，已有证据证明Ni(I)配合物的形成是促进含有聚吡啶配体的Ni(I)-烷基配合物催化羧化反应所必需的，这些结果显示了配体骨架性质对反应性的微妙作用。日前，他们和美国得克萨斯农工大学的Osvaldo Gutierrez教授课题组合作，研究了含有聚吡啶配体的拟卤化物和卤化物连接的Ni(II)配合物在电子转移反应中的反应性。具体而言：Ni(II)卤化物络合物在生成Ni(I)Ln物种的过程中容易引发与Ni(0)的归中反应，而相应的Ni(II)拟卤化物类似物则对电子转移有抵抗力，但Ni(I)拟卤化物容易发生歧化反应。此外，研究还表明在外源盐的存在下可以重新激活催化失活的Ni(II)拟卤化物配合物。相关成果于近日发表在Nature Catalysis 上。
图1. 电子转移中尚未明确的问题。图片来源：Nat. Catal.
首先，作者合成了一系列含有1,10-菲咯啉（L1）或 2,2'-联吡啶（L2）（聚吡啶系列中最简单的配体）的(L)NiCl2配合物进行研究，但这些配合物在常规有机溶剂中的溶解度较低（图2a）。此外，这些物种会倾向于形成 (L)nNiCl2（n=0,1,2,3）型高阶连接的镍络合物或镍酸盐物种（如：[(L)3Ni][NiCl4]）的混合物，因此加强了使用不同配体骨架的需要（图2b）。鉴于此，作者将注意力集中在2和9'位带有取代基的1,10-菲咯啉上，并且新亚铜试剂（L3）和浴铜灵（L4）总是获得单个 (L)NiCl2物种，从而间接凸显了配体上的取代模式可能在催化循环的物种形成中发挥着一定作用。值得一提的是，(L4)NiBr2在额外L4存在下的X-射线衍射分析表明Ni原子处于典型的四面体几何结构中。虽然 (L3)NiX2（X=Cl，Br）不溶于常规溶剂，但 (L4)NiCl2却显示出更高的溶解度和明确的形态，当 (L4)NiCl2暴露于过量的L4时，顺磁性1H NMR或UV-vis谱没有发生变化，从而证实了 (L4)NiCl2作为单一物种存在，并且这些配合物符合用于研究具有催化相关物种的氧化还原转移事件的良好模型体系的标准（图2d）。
图2. 研究镍聚吡啶配合物的注意事项。图片来源：Nat. Catal.
为了详细研究聚吡啶-镍物种中的电子转移，作者将Ni(II)卤化物类似物置于KOPiv、PhCO2K或NaOPh中便可合成一系列相应的Ni(II)-醇盐络合物（图3a）。然而，当利用LiOtBu与 (L4)NiCl2反应来获得Ni(II)-醇盐络合物时，却形成了形式组成为[NiLi3Cl2(OtBu)3]2•4THF的LiOtBu Ni簇，这表明醇盐残留物可能对Ni形态有影响。正如预期所示，(L4)NiX2（X=Cl (3a-Cl)，Br(3a-Br)）和 (L4)Ni(COD)之间的归中反应能够快速可靠地获得结构明确的Ni(I)卤化物配合物 [(L4)2NiI]X（X=Cl (4a-Cl)，Br (4a-Br)），其中4a-Br可通过单晶衍射确认结构（图3b）。此外，UV-vis谱的动力学研究表明反应在几秒内发生，这与快速电子转移相一致，其中5a形式上充当还原剂，3a-Cl/Br充当氧化剂以形成稳定的Ni(I)物种4a-Cl/Br。然而，(L4)Ni(OR)2配合物（3b，R=Ph；3c，R=COPh；3d，R=Piv）却观察到明显不同的反应趋势，EPR光谱和顺磁性1H NMR谱显示这些配合物均未与 (L4)2Ni(0)发生反应，因此排除了Ni(I)物种的干预。为了验证这些结果是否特定于L4，作者合成了 (L3)Ni(OPiv)2（3e，单晶衍射确认其结构）并将其置于( L3)2Ni（5b）中，结果却没有观察到任何反应，这表明卤化物骨架的性质对物种形成和反应性的影响比预期要多。
考虑到Ni(0)和Ni(II)之间的反应形式构成电子转移事件，可以合理地假设它们受热力学控制。因此，如果Ni(0)和Ni(II)羧酸盐配合物之间没有发生归中，作者初步推测微观可逆性原理应该适用，Ni(I)醇氧化合物歧化为Ni(0)和Ni(II)都是自发进行的，这一假设由4a-Cl与KOPiv的盐复分解间接证实（图3b）。通过EPR光谱对反应进行原位监测甚至没有观察到 (L4)NiI(OPiv)，而是以定量产率观察到 (L4)Ni(OPiv)2（3d）和 (L4)2Ni(0)的形成，从而有助于感知瞬态生成 (L4)NiI(OPiv) 的快速歧化起作用。通过使用介电常数较高的溶剂（如：MeCN（ε=37.5））或用PhCO2K/NaOPh取代KOPiv时均得到了相同的结果。类似地，[(L3)2Ni]Cl（4b-Cl）与KOPiv反应也能以定量产率形成 (L3)Ni(OPiv)2（3d）和 (L3)2Ni（5b）的混合物。
图3. 负离子配体对电子转移的影响。图片来源：Nat. Catal.
为了进一步探究镍配合物的不同反应性及其进行归中或歧化反应的能力，作者进行了色散修正的密度泛函理论（DFT）计算和耦合簇方法（DLPNO-CCSD(T)）计算，结果表明即使发生归中反应的能垒很低，但单体Ni(I)拟卤化物配合物也可能有利于歧化途径。与母体Ni(II)和Ni(0)前体相比，卤化物配体降低了单体LNi(I)X配合物的自旋密度（通过π电子反馈（π-back-donation）），这反过来又稳定了这些物种。另外，计算还表明拟卤化物配体电性的微妙调制可以降低金属中心的电子密度，从而使归中反应在热力学上是有利的（图4）。
图4. 计算研究。图片来源：Nat. Catal.
接下来，作者通过比较卤化镍(II)配合物及其相应镍(II)羧酸盐类似物的循环伏安图（CV）来间接评估电子转移过程（图5a），结果显示 (L4)NiCl2（3a-Cl）和 (L4)NiBr2（3a-Br）具有两对不同的氧化还原电位，即Ni(II)/Ni(I)（Cl=-0.86 V，Br=-0.71 V）和Ni(I)/Ni(0)（Cl =-1.24 V，Br=-1.10 V），这表明生成了稳定的Ni(I)氧化态，从而证实了 (L4)NiX2与 (L4)2Ni之间发生电子转移和归中反应。相反，(L4)Ni(OPiv)2（3d）的CV图显示Ni(II)直接被还原为Ni(0)。其次，作者还研究了卤化物交换对还原的影响，结果显示在过量L4的存在下用化学计量Zn或Mn还原 (L4)NiBr2（3a-Br），可以良好的产率获得 (L4)2Ni（图5b）；而 (L4)Ni(OPiv)2（3d）在相同条件下却没有反应，若向其中添加无机卤化物盐（如：LiBr或ZnBr2），则能有效地形成 (L4)NiX2（X=卤化物），后者用Zn还原便可获得 (L4)2Ni(0)（5a）。
图5. 电化学研究及化学计量还原研究。图片来源：Nat. Catal.
总而言之，图3-5的结果证明了聚吡啶-镍络合物在电子转移过程中发挥的独特反应性，这些发现可能与镍催化的交叉偶联反应相关。最明显的是，常用拟卤化物碱/添加剂可能对催化剂形态产生不可忽视的影响，抑制LNi(II)（拟卤化物）的还原，同时防止通过歧化反应形成Ni(I)物种。为此，作者研究了镍形态对链行走还原芳基化反应的影响，结果显示在60 min后加入KOPiv会显著降低反应速率和产率（图6a），这表明形成了无活性的 (L4)Ni(OPiv)2物种（3d），后者通过基质辅助激光解吸/电离质谱法（MALDI-MS）得以证实。如图6b所示，作者还在Ni催化烯丙醇与CO2的位点选择性羧化反应中观察到类似的现象，即MgCl2的添加对反应至关重要。最后，他们还研究了甲苯磺酸烷基酯与芳基溴的还原偶联反应，发现从标准条件中去除KI会导致产率显著降低（图6c）。同样地，使用不含卤化物的预催化剂Ni(COD)2进行反应时效果不如标准条件，若用Ni(COD)2进行反应并去除KI仅仅产生痕量产物（5%）。
图6. 电子转移的催化相关性。图片来源：Nat. Catal.
总结
这项工作揭示了阴离子配体在聚吡啶-镍配合物的归中、歧化和还原反应中进行电子转移过程中所发挥的神秘作用，这些反应是镍催化交叉偶联领域中常见的基元步骤。化学计量学和量子力学研究表明Ni(II)卤化物易与Ni(0)配合物进行归中反应生成Ni(I)物种；相反，Ni(II)拟卤化物是不反应的，而它们对应的Ni(I)类似物则不可逆地发生歧化反应。毫无疑问，本文的研究为设计未来的镍催化反应提供了重要见解。
Elucidating electron-transfer events in polypyridine nickel complexes for reductive coupling reactions
Craig S. Day, Ángel Rentería-Gómez, Stephanie J. Ton, Achyut Ranjan Gogoi, Osvaldo Gutierrez & Ruben Martin
Nat. Catal., 2023, 6, 244-253, DOI: 10.1038/s41929-023-00925-4
