镍(II)位点亚硝酸根的还原与氧化转化：关于{NiNO}10的生成、电子结构与反应性的洞见

《JACS Au》：Reductive and Oxidative Transformations of Nitrite at Nickel(II): Insights into the Generation, Electronic Structure, and Reactivity of {NiNO}10

　　

亚硝酸根（NO₂^–）多样的氧化还原转化将一氧化氮（NO）等关键信号分子联系起来，并使生理过程中NO通量的精确调控成为可能。本研究采用经结构与光谱表征的单核[Ni]–NO_x配合物，阐明氮氧化物的氧化还原化学，包括亚硝酸根、NO与硝酸根之间的相互转化。[（Me₂PzQu）₂Ni^II(nitrite)](ClO₄) 1-Qu与对甲基硫代苯酚（MeArSH）反应后，经由HNO₂和MeArSNO中间体，生成{NiNO}¹⁰物种[（Me₂PzQu）Ni(NO)(ClO₄)] 3-Qu。值得注意的是，配体性质的细微变化会显著影响硫醇–亚硝酸根反应性以及所生成{NiNO}¹⁰物种的稳定性。更重要的是，H₂S与亚硝酸根在镍(II)位点的串扰同样导致还原性亚硝酰化，生成{NiNO}¹⁰物种。尽管瞬态HNO₂难以检测，本研究独特地采用膦介导脱氧策略，证明了HNO₂在[（Me₂PzQu）₂M^II(nitrite)]⁺（M = Ni/Zn）与硫醇反应过程中的中间体地位。此外，还评估了3-Qu中{NiNO}¹⁰核心的NO与NO^–配体转移反应性。以碘酰基苯（PhIO）作为牺牲性氧原子供体时，1-Qu与3-Qu均可生成[Ni^II]–nitrate 2-Qu，从而勾勒出一条亚硝酰→亚硝酸根→硝酸根转化的逐步氧原子转移（OAT）途径。综合而言，这些发现揭示了经由亚硝酸根–硫醇/H₂S串扰实现的还原性亚硝酰化，并展示了依赖逐步OAT的NO/亚硝酸根氧化路线，该路线基于共同的配位基元。

该论文发表于《JACS Au》，围绕镍(II)位点上氮氧化物（NO_x）的双向氧化还原转化展开，核心目标是在分子层面揭示亚硝酸根（NO₂^–）如何在同一金属平台上发生还原生成亚硝酰物种，以及亚硝酰/亚硝酸根如何进一步被氧化为硝酸根（NO₃^–）。NO、NO₂^–与NO₃^–是生物体系中彼此关联的关键氮氧化物，参与血管舒张、神经传递、免疫应答等重要生理过程。与此同时，NO通量失衡又与病理状态密切相关，因此理解NO_x的还原与氧化机制，是发展相关治疗策略和认识氮循环化学的基础。既往研究已较多关注Fe、Cu、Zn等位点上的亚硝酸根转化，但镍位点相关研究明显不足，尤其是硫醇–亚硝酸根、H₂S–亚硝酸根在Ni(II)上的串扰机制，以及亚硝酰/亚硝酸根经氧原子转移（OAT）逐步氧化的路径，尚缺少系统而直接的实验论证。研究人员因此选择结构明确的单核镍配合物作为模型，试图在统一配位框架中串联“亚硝酸根→NO”与“亚硝酰→亚硝酸根→硝酸根”两类反应，建立完整的反应图景。

在技术方法上，研究主要结合了单晶X射线衍射、紫外–可见吸收光谱（UV–vis）、¹⁴N/¹⁵N傅里叶变换红外光谱（FTIR）、¹⁵N核磁共振（NMR）、³¹P{¹H} NMR、高分辨质谱（HRMS）、X射线光电子能谱（XPS）与密度泛函理论（DFT）/完全活性空间自洽场（CASSCF）计算，对[Ni^II]–nitrite、[Ni^II]–nitrate及{NiNO}¹⁰物种的结构、反应过程和电子结构进行综合表征；并利用PhIO作为氧原子供体、Ph₃P作为化学拦截试剂追踪瞬态HNO₂。

在“[Ni^II]–Nitrite/Nitrate Complexes的合成与表征”部分，研究人员首先制备并表征了[L₂Ni^II(nitrite)](ClO₄)（1-Qu/1-Py）和[L₂Ni^II(nitrate)](ClO₄)（2-Qu/2-Py）两组配合物。晶体结构显示，镍中心均呈八面体构型，亚硝酸根或硝酸根均以κ²-O,O方式配位。FTIR数据进一步给出清晰的同位素敏感特征峰，证实这些配合物可作为后续监测NO_x转化的可靠光谱标记。这一部分的结论是：研究建立了可分辨nitrite与nitrate状态的结构与光谱基础，为后续跟踪还原和氧化过程提供了明确参照。

在“Thiol/H₂S与[Ni^II]–Nitrite的反应性”部分，研究人员考察了1-Qu与对甲基硫代苯酚（MeArSH）的反应。结果显示，1-Qu在室温下与MeArSH反应后生成深蓝色{NiNO}¹⁰物种3-Qu，并伴随一定量NO释放。单晶结构证明3-Qu具有四面体镍中心和近线性的NO配体；FTIR中ν(NO)同位素敏感峰及NMR锐峰则支持其为抗磁性{NiNO}¹⁰物种。与以往通常依赖NO气体合成镍亚硝酰配合物不同，该工作直接实现了由分离得到的Ni(II)–nitrite向{NiNO}¹⁰的转化。进一步的配位取代实验表明，3-Qu中的[Ni]–OClO₃键较为活泼，第四配位位点具有明显可变性。

同一部分还比较了不同硫醇与不同辅助配体的影响。酸性较弱的脂肪硫醇tBuBnSH本身不足以使1-Qu生成3-Qu，但在加入吡啶鎓对甲苯磺酸盐后可以促进反应并提高NO释放；而1-Py对MeArSH或tBuBnSH反应性很低，仅在外加酸条件下才形成对应的{NiNO}¹⁰物种3-Py，且其稳定性较差，易定量释放NO。由此可见，质子转移对于反应启动至关重要，而喹啉配体与吡啶配体的细微差异会显著调节硫醇–亚硝酸根串扰与最终{NiNO}¹⁰的稳定性。研究还发现，H₂S与1-Qu作用同样能得到{NiNO}¹⁰衍生物3′-Qu，其结构揭示喹啉供体存在半可离解性（hemilability），有利于为反应底物腾出配位空间。这一结果构成了Ni(II)位点上H₂S与亚硝酸根串扰导致还原性亚硝酰化的首个实例。

在“Thiol–Nitrite Interaction at Nickel(II) and {NiNO}¹⁰ Formation的机制”部分，研究人员系统检验了可能的反应路径。首先，他们排除了直接OAT导致{NiNO}¹⁰和亚磺酸中间体的方案，因为1-Qu在相同条件下不与Ph₃P反应。随后，¹⁵N NMR监测到化学位移与H¹⁵NO₂一致的瞬态信号，UV–vis则表明反应早期形成Ni(II)–thiolate物种。由此，研究提出初始步骤是硫醇向配位亚硝酸根发生质子转移，生成HNO₂和Ni(II)–thiolate。虽然RSNO在1-Qu与硫醇反应中未被直接积累检测到，但在外加[PyH]⁺条件下，通过UV–vis可观察到MeArSNO形成后迅速转化为3-Qu/3-Py，证明S-亚硝基硫醇参与了后续反应。进一步地，Ni(II)–perchlorate配合物4-Qu在硫醇存在下与RSNO或NO反应，均可独立生成3-Qu，而无硫醇时不能形成该产物。因此，最合理的路径是：HNO₂进一步生成RSNO，RSNO均裂释放NO，随后NO介导Ni(II)–thiolate发生还原性亚硝酰化，形成{NiNO}¹⁰。研究同时比较了HNO路径的可能性，发现MeArSNO与MeArSH仅产生痕量N₂O，因此HNO介导的镍位点亚硝酰化不是主要通路。

在“Evidence of HNO₂ through Ph₃P-Mediated Deoxygenation”部分，论文提出了一个很有特色的方法学贡献。由于HNO₂短寿命、难直接捕捉，研究人员利用Ph₃P可脱氧相关氮氧物种的性质，尝试对原位生成HNO₂进行化学截获。对照实验表明，真实生成的HNO₂与Ph₃P反应后，会产生Ph₃PNH₂⁺、Ph₃PO和(Ph₃P)₂N⁺。同样的膦衍生产物也出现在1-Qu与MeArSH及Ph₃P共同反应的体系中，并与¹⁵N NMR证据相互印证，支持HNO₂确为关键中间体。更重要的是，作者指出膦检测试剂并非只对HNO有响应，它也可能促使HNO₂脱氧生成后续产物，因此在含膦体系中观察到膦亚胺和膦氧化物，并不能简单等同于反应体系本身存在HNO。这一认识对反应性氮氧化物检测具有方法学警示意义。

在“{NiNO}¹⁰的电子结构”部分，研究通过XPS、DFT和CASSCF计算解析3-Qu的本征电子态。XPS显示，相比1-Qu和2-Qu，3-Qu的Ni 2p_3/2结合能发生负移，提示{NiNO}¹⁰中镍中心相较典型Ni(II)状态具有更低形式氧化态特征，但金属–配体共价性也可能参与这一变化。DFT结果表明，最低能态是总自旋单重态的Ni²⁺(d⁸) + NO^1–(π*)²构型，即Ni(II)(S = 1)与高自旋NO^–(S = 1)反铁磁耦合。进一步的CASSCF分析则揭示，3-Qu并非单一电子构型，而是具有显著多组态特征：除主导的Ni^II–NO^–组态外，还混入一定比例的Ni^I–NO^•及闭壳层Ni^II–NO^–贡献。因此，该{NiNO}¹⁰核心的本征电子结构应理解为以反铁磁耦合Ni(II)/高自旋NO^–为主、伴随显著多组态混合的体系。这一结论很好解释了其兼具结构稳定性和特殊反应性的原因。

在“NO versus NO^– Transfer Reactivity of {NiNO}¹⁰”部分，研究重点评估3-Qu究竟更像NO供体还是NO^–供体。实验表明，3-Qu可将NO转移给(TPP)Co^II生成(TPP)CoNO；但与(TMPP)Mn^IIICl反应时，并未观察到NO^–转移产物。同时，酸处理3-Qu也不生成N₂O，排除了NO^–质子化后释放HNO的情形。3-Qu与2,6-二氯亚硝基芳烃反应生成二氮烯二醇盐（diazeniumdiolate）配合物5-Qu，作者据此认为，该过程更可能经历NO释放及后续自由基偶联，而不是配位NO^–直接作为亲核体进攻底物。综合来看，尽管基态电子结构可表述为Ni(II)–NO^–，但在化学反应层面，3-Qu更表现为NO供体而非NO^–供体。

在“Oxygenation of Nitrosyl and Nitrite at Nickel(II)”部分，研究展示了同一镍平台上的氧化路径。3-Qu在O₂和游离配体存在下转化为1-Qu，说明{NiNO}¹⁰可被单氧化为Ni(II)–nitrite。作者比较了外球路径和内球路径：外球机制需先释放游离NO，再与O₂反应生成NO₂后回捕；但NO释放实验表明3-Qu自发放出NO速度很慢，且在NO₂/ONOO^–捕获实验中未观察到相应硝化产物，因此不支持该路线。DFT计算则支持以内球双核中间体参与的热力学更有利路径，即O₂先与两个{NiNO}¹⁰单元相互作用，再经O–O键裂解及重排形成1-Qu。进一步，为验证逐步单氧插入的设想，研究使用PhIO作为单氧原子供体。结果发现，3-Qu在PhIO作用下先形成1-Qu，再继续被氧化为2-Qu；而1-Qu和1-Py也都可直接被PhIO氧化为相应nitrate配合物2-Qu和2-Py。与NaNO₂对照实验不同，金属配位显著促进了这一氧化过程。由此，论文建立了一个清晰的逐步OAT氧化通路：nitrosyl → nitrite → nitrate。这是镍(II)体系中NO_x连续氧化的首例，且为理解NXR/NAR相关辅因子可能通过“O原子加成/脱除”实现亚硝酸根与硝酸根互变提供了模型支持。

论文讨论与结论部分强调，本研究在同一Ni(II)配位框架中同时实现并解析了亚硝酸根的还原与氧化两端化学：一方面，硫醇或H₂S与Ni(II)–nitrite串扰，经HNO₂、RSNO/HSNO相关过程及NO介导的还原性亚硝酰化，生成{NiNO}¹⁰；另一方面，{NiNO}¹⁰和Ni(II)–nitrite均可通过逐步OAT被氧化，最终到达Ni(II)–nitrate。研究还证明，辅助配体细微差异可显著改变反应效率与产物稳定性；{NiNO}¹⁰的电子结构虽以Ni(II)–高自旋NO^–反铁磁耦合为主，但其多组态本质赋予了偏向NO供体的反应特征。结论部分的核心内容可译述为：本工作利用经充分表征的[Ni^II]–nitrite/nitrate与{NiNO}¹⁰配合物，揭示了Ni(II)位点上NO_x的2e^–氧化还原转化；证明了硫醇反应中HNO₂与Ni(II)–thiolate的形成，并提出Ph₃P可用于截获原位生成的HNO₂；阐明了Ni(II)–nitrite向{NiNO}¹⁰转化经历NO介导的还原性亚硝酰化，且H₂S也能引发类似过程；说明{NiNO}¹⁰基态电子结构最佳描述为反铁磁耦合的Ni(II)–高自旋NO^–，但其反应性更接近NO供体；并展示了借助PhIO实现的连续单氧化过程，可使nitrosyl逐步转化为nitrite再到nitrate。总体而言，这项工作不仅扩展了与NO稳态调控相关的氮氧化物氧化还原化学，也为基于膦的反应性氮氧物种检测策略提供了重要的方法学参考。