通讯单位：日本理化学研究所，大连理工大学，中国石油化工研究院论文DOI：10.1021/jacs.3c08715氮杂迈克尔（aza-Michael）加成反应是一类基本的有机化学反应，是构筑含氮有机物的常用策略。其具有条件温和、效率高、底物适应性广、100%原子利用率等特点。此外，aza-Michael加成反应常作为多米诺反应和串联反应的关键起始步骤，从而实现由简单起始原料快速构筑结构复杂的含氮有机物。目前，aza-Michael加成反应中的氮亲核试剂均源自氨（NH3）。其由N2与H2在高温（350−550°C）、高压（150−350 atm）条件下反应制备（即Haber-Bosch过程）。温和条件下N2作为氮亲核试剂参与的aza-Michael加成反应是合成化学家长期追求的目标，其有望绕过高能耗的工业合成氨过程，实现含氮有机化合物的绿色合成。然而，N2的化学惰性使得该反应极具挑战性。日本理化学研究所（RIKEN）侯召民教授致力于金属氢簇促进的N2活化与转化研究，取得了系列系统性、原创性研究成果，包括温和条件下N2的裂解与氢化反应（Science 2013, 340 1549; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 1818; Angew. Chem Int. Ed. 2020, 59, 8635; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 9007），活化氮气与酰氯、醛酮及CO2的加成反应构筑含氮有机物等（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12316; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 16906; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 6972）。近日，他们在N2活化与转化方面取得新突破，报道了首例N2参与的aza-Michael加成反应，实现了温和条件下，由N2直接构筑结构多样的含“NN”结构单元有机物。该工作中，作者利用氢桥连氮气配合物1（由二甲基钛配合物与N2和氢气反应制备）与当量CO反应合成了一例全新的亚甲氧基桥连氮气配合物2 (图1)。温和条件下，氮气配合物2能够与丙烯酸甲酯反应生成1,4-加成产物3a (图2)。单晶结构表征和15N标记实验证实亲核加成选择性发生在N2配体上。该反应为首例N2与α,β-不饱和羰基化合物的aza-Michael加成反应。图2.氮气配合物2与丙烯酸甲酯反应生成aza-Michael加成产物3a理论计算阐明了氮气配合物2与丙烯酸甲酯的反应生成aza-Michael加成产物3a的机理 (图3)。Side-on/end-on氮气配合物2m (2的模型化合物) 首先发生异构生成side-on/side-on氮气配合物中间体A。随后，丙烯酸甲酯配位到其中一个钛中心生成中间体B。最后中间体B的氮气配体亲核进攻配位的丙烯酸甲酯生成1,4-加成产物3m (3a的模型化合物)。图3. 氮气配合物2与丙烯酸甲酯aza-Michael加成反应机理接下来，作者尝试把官能团化氮气配体（即，肼取基代丙烯醇结构单元）从3a的钛中心解离。他们发现3a与MeOH的醇解反应能够高产率生成β-肼基取代酯4a (图4)。4a可进一步发生分子内肼解反应生成吡唑烷酮化合物5a。另外，4a也能与对-氯苯甲醛反应生成缩合产物6a。除丙烯酸甲酯外，氮气配合物2与其他α,β-不饱和羰基化合物（包括含不同取代基的丙烯酸酯、环状内酯、烯酮和烯酰胺等）也能发生类似的aza-Michael加成反应 (图5)。并且根据Michael受体种类不同，生成的aza-Michael加成产物（3b–3h）与MeOH反应能够获得不同类型的含氮有机物（包括β-肼基取代羰基化合物、吡唑烷酮、吡唑啉等）。图5.氮气配合物2与其他α,β-不饱和羰基化合物反应构筑含氮有机物有趣的是，除质子化反应外，aza-Michael加成产物还能进一步衍生化，与碳亲电试剂反应形成新的C−C和/或C−N键，进而构筑结构更加多样的含氮有机物。如3f与苯甲醛、CO2和CO反应分别生成化合物9, 11和12 (图6)。化合物9和12经醇解和硅基化反应分别生成4,4-双取代-3-吡唑烷酮化合物10和吡唑化合物13。图6 aza-Michael加成产物3f的衍生化反应综上，作者合成了一例全新的亚甲氧基桥连氮气配合物2，实现了首例N2参与的aza-Michael加成反应。生成的aza-Michael加成产物（肼取代丙烯醇配合物3a–3h）不仅能与MeOH发生醇解反应生成结构多样的含“NN”结构单元有机物，还能进一步与碳亲电试剂反应构筑新的C−C和/或C−N键。该研究展示了N2作为合成子在含氮气有机物合成方面的巨大潜力。该成果近期以“Aza-Michael Addition of Dinitrogen to α,β-Unsaturated Carbonyl Compounds in a Dititanium Framework”为题发表在国际学术期刊J. Am. Chem. Soc.上 (DOI: 10.1021/jacs.3c08715)。第一作者为日本理化学研究所博士后卓庆德，侯召民教授为通讯作者。杨吉民博士（理论计算）、周小茜博士、Takanori Shima研究员、罗一教授（理论计算）参与了该工作。
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