氧代N-错位卟啉的结构阐明及其特征性钒(IV)配位模式

《Inorganic Chemistry》：Oxygenated N-Confused Porphyrins: Structural Elucidation and Distinct Vanadium(IV) Coordination Motifs

　　

本研究旨在阐明N-错位卟啉（NCP）框架的逐步氧代化序列，并系统表征由此产生的氧代化NCP衍生物及其钒（IV）配合物的结构特征与反应性能。研究人员首先以三氟甲磺酸（CF₃SO₃H）为酸催化剂，在Lindsey法制备N-错位卟啉的反应过程中，分离得到含内酰胺结构的单氧代自由碱3-oxo-H₂PFNCP（3），其产率为4.2%。随后，研究人员将该化合物与乙酰丙酮氧钒[V(═O)(acac)₂]在回流N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中进行金属化反应，意外获得了三种产物：自由碱双氧代NCP衍生物3,21-dioxo-H₃PFNCP（4，产率9%）以及两种结构迥异的钒（IV）配合物V(═O)(OH)(3-oxo-PFNCP)（5，产率35%）和[n-Bu₄N][V(OH)(3,21-dioxo-PFNCP)]（6，产率30%）。单晶X射线衍射分析明确揭示了配合物6中存在罕见的内分子V–O–C螯合配位模式，该结构特征直接源于大环的氧代化修饰。紫外-可见光谱（UV–vis）、核磁共振波谱（NMR）、高分辨质谱（HRMS）、电子顺磁共振波谱（EPR）及电化学研究进一步证实，尽管配合物5和6具有相同的分子式，但它们在电子结构和配位环境方面存在显著差异。在过氧化氢（H₂O₂）驱动的烯烃氧化和硫化物氧化反应中，两种配合物均表现出氧转移催化活性，其中配合物6在环己烯氧化中可获得更高的可量化产物产率，并在硫代苯甲醚氧化中表现出更高的砜类产物选择性。上述结果表明，对N-错位卟啉进行可控氧代化能够生成具有独特配位环境和差异化氧转移反应活性的新型钒配合物。

本研究围绕氧代化N-错位卟啉（NCP）的合成、结构表征及其钒（IV）配合物的独特配位化学与催化性能展开，发表于《Inorganic Chemistry》。研究背景源于N-错位卟啉类大环化合物因其吡咯环翻转而产生的非典型结构及电子性质，这类化合物在分子识别、仿生反应及均相催化领域具有重要研究价值。然而，NCP的选择性氧代化长期以来面临重大挑战：竞争反应路径易生成复杂混合物，导致氧代化产物往往仅以副产物或瞬态中间体形式存在，难以进行明确的结构表征，因此氧代化对配位几何及反应活性的影响尚不充分清楚。特别是在氧化催化领域，氧原子转移（OAT）和过氧化物驱动氧化是基础且关键的化学过程，天然血红素依赖性单加氧酶和过氧化物酶通过精确调控大环框架和第二配位层实现高选择性，而合成金属卟啉作为重要的仿生模型已取得显著进展，但在非典型卟啉类似物尤其是氧代化衍生物中实现类似控制仍十分有限。钒元素因可呈现多种氧化态和 Coordination Number，且钒依赖性卤代过氧化物酶为过氧化物驱动氧化化学提供了天然先例，将钒引入氧代化NCP框架成为调控金属中心反应活性的重要策略。

研究人员在本工作中识别了与NCP钒金属化过程偶联的逐步氧代化序列，成功制备并表征了两个自由碱氧代化NCP（3和4）以及两个结构 distinct 的钒（IV）配合物（5和6）。研究结论表明，大环氧代化对金属配位模式具有决定性影响：配合物6中源自C21位氧代化的内分子V–O–C螯合结构是N-错位卟啉化学中罕见的金属–配体协同模式，这种结构差异直接导致了配合物5和6在电子结构和催化性能上的分化。在环己烯氧化反应中，尽管存在质量平衡不完全的固有限制，配合物6在相同条件下可获得较5更高的可量化产物总产率（38% vs 26%）和更高的转化频率（TOF = 1.09 h^?1 vs 0.67 h^?1）。在硫代苯甲醚氧化反应中，两种配合物均能促进超越无催化剂背景反应的硫氧化，其中配合物6表现出优异的砜类选择性（96%砜 vs 4%亚砜），而配合物5的产物中亚砜和砜的比例为64:36（12小时）或33:67（20小时）。该研究的重要意义在于首次将可控NCP氧代化与独特钒配位环境及差异化氧转移反应活性相联系，拓展了氧代化N-错位卟啉的化学空间，为设计具有可调催化选择性的非典型卟啉基催化剂提供了新思路。

研究人员为开展此项研究所采用的主要关键技术方法包括以下方面。在合成方法学层面，采用改良的Lindsey一锅两步法合成N-错位卟啉，以三氟甲磺酸为酸催化剂，并通过与乙酰丙酮氧钒的回流反应实现金属化诱导的氧代化。结构表征方面，运用单晶X射线衍射（XRD）确定了所有化合物的分子结构、氧代化位点及配位模式；借助紫外-可见光谱（UV–vis）追踪电子吸收特征变化；利用核磁共振波谱（NMR，包括¹H、¹³C、¹⁹F及二维COSY/HSQC）解析自由碱的结构特征；通过高分辨电喷雾质谱（HRMS-ESI）确认分子组成；采用X波段电子顺磁共振波谱（EPR，77 K）鉴定钒的氧化态并提取自旋哈密顿参数；运用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）识别特征官能团振动模式；通过循环伏安法（CV）研究电化学性质。理论计算方面，采用密度泛函理论（DFT）在B3LYP/6-311G(d,p)水平（钒中心使用LANL2DZ赝势）优化几何结构并计算前沿分子轨道及振动频率。催化评价方面，以30%过氧化氢为终端氧化剂，在乙腈溶剂中对环己烯和硫代苯甲醚进行氧化反应，产物通过配备Stabilwax-DA柱的气相色谱-氢火焰离子化检测器（GC-FID）进行定量分析。

研究结果部分按照原文结构分述如下。

2.1 氧代化NCP及其钒配合物的合成与分离
研究人员在Lindsey法合成N-错位卟啉的过程中，以CF₃SO₃H替代传统酸催化剂，意外分离得到含内酰胺结构的3-oxo-H₂PFNCP（3），其产率为4.2%，同时得到五氟苯基卟啉（H₂TPFPP，1，39%）和tetrakis(pentafluorophenyl)-N-confused porphyrin（H₂PFNCP，2，8.5%）。该化合物3与乙酰丙酮氧钒在回流DMF中反应后，分离得到三种产物：自由碱3,21-dioxo-H₃PFNCP（4，9%）、钒（IV）配合物V(═O)(OH)(3-oxo-PFNCP)（5，35%）以及结构独特的[n-Bu₄N][V(OH)(3,21-dioxo-PFNCP)]（6，30%）。配合物5呈现传统的钒酰（vanadyl）配位环境，而配合物6则因大环双氧代化形成了前所未有的内分子V–O–C螯合模式。自由碱4的生成可能源于与6相关的双氧代化钒中间体的部分脱金属。

3 氧代化的固态结构及配位后果
单晶X射线衍射分析揭示逐步氧代化如何重塑大环几何并产生两种截然不同的配位模式。化合物3结晶于三方空间群R3?(H)，大环基本保持平面，内酰胺单元具有显著酰胺特征。化合物4结晶于三斜空间群P1?，因三个吡咯N–H与内羰基氧形成分子内氢键而产生显著的鞍形畸变，吡咯烷-2,4-二酮（pyrrolidine-2,4-dione）结构单元的形成导致π系统部分定域化和芳香性显著降低。配合物5保留了接近平面的NCP核心，钒原子偏离平均卟啉平面0.317 ?朝向端基氧，V(1)═O(1)键长1.552(4) ?符合钒酰（IV）特征。配合物6则呈现截然不同的配位模式：其卟啉样核心近乎平面（25个卟啉原子平均偏差仅0.027 ?），翻转吡咯环形成去质子化的4-羟基吡咯-2-酮（4-hydroxypyrrol-2-one）样结构，内位氧原子与钒配位形成V(1)–O(1A) = 1.752(15) ?的强相互作用，同时V(1)–C(5A)距离2.146(14) ?暗示额外的金属–碳相互作用，DFT优化的几何结构支持这一判断。

4 溶液相光谱与电子特征
4.1 UV–vis与NMR/HRMS表征
电子吸收光谱显示化合物3具有典型卟啉样Soret带（433 nm，ε = 1.70 × 10⁵ M^?1 cm^?1）和四个清晰的Q带，表明其保持 largely delocalized 18π芳香NCP框架。化合物4则呈现Soret带分裂和Q带模糊化，确认了共轭中断和芳香性减弱。配合物5基本保留卟啉样吸收模式，而配合物6的Soret带显著红移至471 nm并伴有600–800 nm的宽吸收包，反映了氧代化骨架的 reduced 离域和V–O–C螯合的强电子扰动。NMR方面，化合物3显示六个β-吡咯芳氢信号（δ 8.82–8.56 ppm）及特征性的内位C–H信号（δ ?5.47 ppm）；化合物4则呈现七个β-吡咯信号（δ 8.05–7.45 ppm）和不对称的三种内位N–H环境，其中两个信号（δ 6.92–6.89 ppm）归因于强氢键相互作用，另一个（δ ?0.35 ppm）归因于较弱氢键的N–H质子。HRMS确认3的[M–H]^?为m/z 989.0，4的[M]⁺为m/z 1006.0，而5和6具有相同的m/z 1069.9626/1069.9629但代表不同的氧代化和配位异构体。

4.2 EPR研究
X波段EPR光谱（77 K）证实两种配合物均呈现典型的轴向谱，具有⁵¹V核（I = 7/2）耦合的八线超精细分裂模式，确证了V(IV) (d¹)电子结构。提取的自旋哈密顿参数（g_⊥ > g_∥，A_∥ ? A_⊥）与钒酰型环境一致，但5与6之间存在适度差异，特别是6的SOMO更易扩展至V–O–C螯合区域，表明增强的电子耦合。自旋密度分布显示两种情况下未成对电子主要定域于钒中心。

4.3 红外光谱与电化学比较
FT-IR光谱中，所有化合物均显示N–H伸缩振动（3373–3290 cm^?1）和羰基吸收（1733–1695 cm^?1）。配合物5在951 cm^?1处显示特征性的V═O伸缩振动，而配合物6则在487 cm^?1和1324 cm^?1处显示可归属为V–O和C–O模式的额外谱带，DFT计算的振动特征支持这一指认。循环伏安法进一步区分两种配合物：5显示两个可逆还原波（?0.48 V和?0.88 V），归属为金属中心氧化还原；6则显示0.33 V处的明确氧化过程，可能为配体中心过程并与内分子V–O–C螯合产生的更富电子环境相关。

5 配合物5和6的比较性氧转移反应活性
5.1 环己烯氧化
优化实验表明催化剂浓度、H₂O₂浓度、底物浓度和温度均影响反应结果，但研究人员指出两个需谨慎解释的方面：环己烯转化率常超过四种可量化产物的总产率，提示存在未鉴定产物；且H₂O₂浓度依赖呈非单调性，高过氧化物负荷导致较低总产率，暗示过量H₂O₂可能促进非生产性分解途径或催化剂失活。在最佳条件下（6为0.002 M，环己烯0.125 M，H₂O₂ 0.2 M，CH₃CN，45 °C，24 h），环己烯转化率达79%，四种产物（环己烯氧化物、2-环己烯-1-酮、2-环己烯-1-醇、环己烷-1,2-二醇）总产率为38%，分布为12%环氧化物、35%烯丙基酮、33%烯丙基醇和20%二醇。直接比较显示，虽然5的转化率略高（84% vs 79%），但6的可量化产物总产率（38% vs 26%）和TOF（1.09 vs 0.67 h^?1）均更高，表明6能更有效地将底物转化导向可鉴定产物。

5.2 硫代苯甲醚氧化
该体系提供了更清晰的比较基准。无催化剂时，H₂O₂与硫代苯甲醚反应仅生成亚砜（产率27%）。加入配合物后，5和6均促进超越背景反应的硫氧化并改变产物选择性。配合物5在12 h内给出69%总产率（亚砜:砜 = 64:36），延长至20 h则总产率降至38%（比例变为33:67），可能源于产物分解和副反应。配合物6在20 h内实现87%总产率和99%底物消耗，产物分布高达96%砜和4%亚砜。时间依赖曲线支持 sequential oxidation 情景：5的早期阶段亚砜积累后减少，而6中亚砜始终为微量瞬态中间体并迅速转化为砜。

5.3 机理启示
负模式ESI-MS监测发现6与H₂O₂处理后存在与过氧化物相关的阴离子钒物种，包括[V(OH)(3,21-dioxo-PFNCP)(OOH)]^?和[V(O)(3,21-dioxo-PFNCP)]^?等可能结构，提示H₂O₂可与钒中心结合或被活化。虽然这些物种的确切身份尚未独立验证，但V–O–C螯合可能通过改变钒中心局部电子结构和质子转移环境来促进H₂O₂的结合、去质子化或过氧中间体的形成。DFT结果显示6的SOMO较5更易扩展至V–O–C螯合区域，这种电子密度重分布可能有助于容纳过氧化物活化过程中的电子变化，并为氧转移或自由基参与的氧化途径做出贡献。

结论部分翻译如下：本研究识别了N-错位卟啉框架中与钒金属化相关的逐步氧代化序列，获得了两个氧代化自由碱大环化合物3-oxo-H₂PFNCP（3）和3,21-dioxo-H₃PFNCP（4），以及两个结构 distinct 的钒（IV）配合物V(═O)(OH)(3-oxo-PFNCP)（5）和[n-Bu₄N]⁺[V(OH)(3,21-dioxo-PFNCP)]^?（6）。通过UV–vis、FT-IR、HRMS、NMR、EPR、电化学和单晶X射线衍射的综合表征 comprehensively revealed，氧代化对大环结构和金属配位均产生明确影响。特别值得注意的是，配合物6因内位碳位点的氧代化而呈现罕见的内分子V–O–C螯合配位模式，凸显了N-错位卟啉样化学中独特的金属–配体协同作用方式。两种钒配合物在H₂O₂存在下对环己烯和硫代苯甲醚也表现出差异化的氧原子转移反应活性：尽管环己烯氧化受质量平衡不完全限制，配合物6在相同条件下可获得较5更高的可量化产物总产率；在硫代苯甲醚氧化中，两种配合物均促进超越催化剂-free背景反应的硫氧化，且6表现出更高的砜类选择性。总体而言，本研究通过将可控大环氧代化与独特钒配位环境及差异化氧转移反应活性相联系，拓展了氧代化N-错位卟啉的化学空间。