金属配位下吡啶环上α位C-H键活化途径

李邦玉，王耀荣

1.苏州市职业大学应用化学研究室，江苏苏州，215104；2.苏州大学材料与化学化工部，江苏苏州，215123

C-H键功能化是有机化学和金属有机化学最具吸引力的课题之一[1-2]，而吡啶和喹啉等衍生物α位C-H键活化反应是其中重要的一类反应[3-4]。吡啶环广泛存在于生物碱中，它具有芳香性，易进行亲核取代反应，特别是在α位(2-位)与烷基锂或芳基锂发生烷基化、芳基化反应，与氨基钠发生氨基化反应等[5]。吡啶(喹啉环)配位到金属原子上后，环上电子云密度会进一步降低，更易发生亲核取代反应。本文结合笔者本人及所在课题组的科研成果，参考相关文献，论述在还原剂如活泼金属M、低价金属配合物、金属氢化物(M-H)、金属氨化物(M-N)和金属有机化物(M-C)等作用下，吡啶和喹啉环上N邻位C-H键的活化反应。

1 金属还原活化C-H键

1.1 活泼金属钠还原活化C-C偶联反应

1.2 低价金属配合物分子内还原活化

1.2.1 低价稀土元素还原活化C-H键

2010年，沈琪课题组发现，在席夫碱配体相同的情况下，可以制备出还原能力较弱的铕的相应二价席夫碱铕配合物；而难以得到还原能力较强的镱和钐等相应二价席夫碱稀土配合物，因为它们容易发生氧化还原反应生成三价稀土席夫碱配合物[7]。在-60℃下，将三齿席夫碱配体HL1的THF溶液慢慢滴加到二价稀土胺化物Ln[N(SiMe3)2]2(THF)2(Ln=Yb，Sm)的THF溶液中(摩尔比为2∶1)，结果喹啉环和C=N基团之间形成C-C键而偶联起来。笔者推测形成机理见图2。席夫碱配体HL1与二价稀土胺化物Ln[N(SiMe3)2]2(THF)2按2∶1摩尔比反应得到理论上的配合物A；该二价席夫碱配合物稳定性差，在碱性条件下，中心二价稀土离子迅速活化喹啉环上α位的C-H化学键，消去二分之一H2分子，转变为含有Ln-C活性键的金属有机中间体B，中心离子由二价氧化为三价离子；接着活泼的Ln-C键加成到另一配体分子中的C=N双键中，形成最终的偶联配体稀土配合物。

图1 反应图示1

图2 反应图示2

1.2.2 第七副族零价金属元素还原活化C-H键

2008年，Zuhayra等报道了羰基锝A在室温下和吡啶反应，得到两个羰基被吡啶置换的产物B，B在加热下半小时就会氧化加成为C[Tc2(μ-H)(μ-NC5H4)(NC5H5)2(CO)6][8]，即两个桥连的羰基被吡啶基和吡啶N邻位脱下来的H桥连(图3)。

图3 反应图示3

其中A、B中锝为零价，而产物C中锝显正一价，吡啶N邻位C-H键被低价金属锝(0)活化。同是第七副族的铼，也可发生类似的反应。1983年，Nubel课题组由羰基铼合成了H负离子和吡啶基负离子双桥连的配合物[Re2(μ-H)(μ-NC5H4)(CO)8](图4)[9]。

图4 [Re2(μ-H)(μ-NC5H4)(CO)8]

2 金属胺化物中氨基活化C-H键

图5 反应图示4

3 金属氢化物活化C-H键

图6 配合物Cp*Sc(C,N-η2-C5H4N)结构图

Watson等[13]在1983年就发现二甲茂镥氢化合物Lu(η5-C5Me5)2H也可以和吡啶等反应，生成吡啶2-位C-H键活化衍生产物Lu(η5-C5Me5)2(C,N-η2-C5H4N)，反应式如下：

Lu(η5-C5Me5)2H+C5H5N=Lu(η5-C5Me5)2(C,N-η2-C5H4N)+H2

图7 反应图示5

4 金属有机化合物活化C-H键

4.1 稀土金属有机配合物活化C-H键

图8 反应图示6

2006年，Stefan等[15]用含Y-C键的离子对配合物[YMe(THF)6]2+[BPh4]2-和吡啶反应，配位的THF被吡啶置换，生成A，A中一个吡啶的2-位C-H键被相邻的甲基活化形成过渡态B，最后消除甲烷得到含Y-C键的吡啶配合物(图9)。

图9 反应图示7

Watson等[13]在1983年就发现二(五甲基茂)镥甲基化合物Lu(η5-C5Me5)2Me可以和吡啶等反应，生成吡啶2-位C-H键活化产物Lu(η5-C5Me5)2(C,N-η2-C5H4N)，反应式如下：

Lu(η5-C5Me5)2Me+C5H5N=Lu(η5-C5Me5)2(C,N-η2-C5H4N)+CH4

2004年，Thomas小组[16]发现(联吡啶)镥(五甲茂基)(烷基)(胺基)稀土配合物与CO反应时，Lu-C活性键插入C-O键的同时活化了吡啶N邻位的C-H键，同时发生三个化学键的反应，结果由CO把联吡啶和三甲基硅基甲基偶联起来，形成一个新三齿配体配位到金属镥上。类似地，(联吡啶)镥(五甲茂基)(双烷基)稀土配合物也可以与CO反应，其中CO也把联吡啶和其中一个烷基偶联起来，说明反应中，也存在Lu-C键活化联吡啶N邻位C-H共价键的情况(图10)。

图10 反应图示8

其反应中间体可能是生成了含Lu-C键的Lu(联吡啶)(C,N-η2-C5H4N)配合物。如2007年，Jantunen课题组[17]发现，含一个THF、两个吡啶配位的五甲茂基镥双烷基配合物不稳定，特别是当通过抽真空的方式将配位在镥上的四氢呋喃脱去后，该配合物就转变为吡啶N邻位C-H键活化后产物A，其中，镥离子和吡啶上N邻位的C原子形成了Lu-C活性键，对此，他们通过配合物的X-射线单晶衍射图进行了确认。此活化产物A不稳定，他们在-35℃低温下培养出来的单晶放在室温下即会逐步解离，不到2天就基本分解掉了(图11)。

图11 反应图示9

4.2 第四副族金属有机配合物活化C-H键

1981年，Klei等[18]用Cp2TiR(R=alkyl)和2-取代吡啶或喹啉反应，2-位的C-H键被活化，生成含Ti-C的吡啶Ti配合物，如(η5-C5H5)2Ti(C,N-η2-C5H4N)。1989年，Richard等[19]用Cp2Zr(CH3)(THF)(A)和甲基吡啶反应，常温下，在二氯甲烷中反应20分钟，得到两种异构体B(含量比为1∶1)，分离产率达84%(核磁监测产率达90%)，反应过程如图12。B和丙烯常温常压下反应45分钟可得到插入产物C，产率接近100%。在常温和低压下催化甲基吡啶和丙烯偶联，得到单一产物D。

图12 反应图示10

综上所述，当吡啶和喹啉等衍生物在配位到金属上后，通过活泼金属还原剂、低价金属配合物、金属氢化物、金属氨化物和金属有机化物等可以活化N邻位C-H键，导致C-H键断裂，进而得到各种取代吡啶化合物及其配合物。随着研究的深入，人们将会发现更多、更好的活化试剂，活化研究会更系统、更有规律可循。

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