从Mn(II)3到Mn(IV)3：在7-二吡啶三核骨架内实现可控多电子氧化与烃类氧合

《Journal of the Chinese Chemical Society》：From Mn(II)3 to Mn(IV)3: Controlled Multielectron Oxidation and Hydrocarbon Oxygenation Within a 7-Dipy Trinuclear Scaffold

　　

多核金属簇内的协同多电子氧化还原化学是生物学中一些最强大氧化转化的基础。受颗粒甲烷单加氧酶（pMMO）中提出的三铜“束缚氧烯”范式的启发，研究人员利用预组织的7-二吡啶（7-Dipy）骨架，探究了类似的氧化还原协同性是否可以扩展到锰体系。合成了三核Mn(II)₃配合物（1）并通过其混合价类似物（2）进行了结构验证，建立了一个由乙酸根桥连、能够进行电子通讯的Mn₃核心。使用过氧化物试剂进行逐步氧化，可将Mn(II)₃转化为混合价的Mn(III)₂Mn(IV)状态，其特征是清晰的16线X波段电子顺磁共振（EPR）信号，这与交换耦合的S = 1/2自旋流形一致。在强氧化、低温条件下，出现了额外的g_eff ≈ 5共振信号和一个11线平行模式信号，支持了获得更高价态富Mn(IV)簇的可能性，初步归属为具有S = 3/2基态的Mn(IV)₃。氧化的Mn₃骨架介导了氧原子向强C–H键的转移。环己烷在室温下使用叔丁基过氧化氢（TBHP）可快速发生氧化，生成环己醇和环己酮，周转数高达62.5，甚至乙烷（键解离能BDE ≈ 101 kcal mol^?1）也发生了可测量的氧化。溶剂依赖的选择性和快速的反应起始表明高活性Mn–氧中间体快速生成。与自旋探针DMPO（5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物）反应产生的EPR和气相色谱–质谱联用（GC–MS）信号与氧化开环生成MNPA（4-甲基-4-硝基戊酸）型产物一致，进一步支持了强氧化性高价锰物种的存在，而非简单的自由基加合物形成。这些结果证明了在一个单一的三核锰骨架内可控地积累多个氧化当量，并确立了先前与三铜体系相关的多金属氧化还原协同性可以扩展到锰体系。因此，7-二吡啶平台为在温和条件下探索多核锰驱动的烃类氧合提供了一个结构明确的框架。

在温和条件下选择性氧化强C–H键仍然是化学催化领域的核心挑战。生物系统通过在空间组织的多核金属簇内协调多电子氧化还原化学，以卓越的效率实现了此类转化。其中，颗粒甲烷单加氧酶（pMMO）因其在环境条件下将甲烷转化为甲醇的能力而受到持续关注。一个长期存在的机制问题涉及活性金属中心的身份以及负责C–H键官能化的氧转移中间体的性质。Sunney I. Chan及其合作者提出，pMMO的羟基化位点包含一个三核铜簇，其中还原的Cu^ICu^ICu^I核心与O₂或过氧化物当量反应，生成能够直接插入氧原子的混合价含氧物种。这一“束缚单线态氧烯”范式确立了一个更广泛的原则：协同的多核氧化还原化学可以在温和条件下实现可控的高能氧转移。后续使用多齿配体（包括7-二吡啶骨架）的合成研究表明，三核铜簇可以有效活化O₂和H₂O₂并介导氧原子转移反应。这些发现共同表明，多核氧化还原协作是配体促成的，而非金属特有。然而，这一机制原理是否能推广到铜以外的金属仍未解决。锰因其丰富的氧化还原灵活性和在生物氧化化学中的核心作用（尤其是在光系统II的Mn₄Ca析氧复合物中），成为检验这一假设的有吸引力的平台。尽管对单核和双核锰–氧物种进行了广泛研究，但在单一、明确的骨架内可控地积累三个高价锰中心仍然罕见。本研究采用7-二吡啶配体平台构建了一个三核锰框架来探究这些问题。通过保留最初为三铜体系开发的配体结构，同时将铜替换为锰，直接测试了协同多核氧化和过氧化物活化是否可跨金属身份转移。这项研究更广泛地旨在阐明多金属氧化还原协同性如何控制多核锰体系中的过氧化物活化和C–H官能化。该论文发表在《Journal of the Chinese Chemical Society》上。

研究人员开展此项研究主要运用了以下几个关键技术方法：首先，利用7-二吡啶配体与锰盐（如乙酸锰）反应，合成了三核Mn(II)₃前驱体配合物（1），并通过阴离子交换获得了可用于单晶X射线衍射分析的混合价Mn(III)Mn(II)₂配合物（2），从而确定了其由乙酸根桥连的三角Mn₃核心结构。其次，综合运用了多种光谱技术进行表征，包括高分辨电喷雾电离质谱（HR-ESI-MS）确认簇合物组成，X波段电子顺磁共振（EPR）光谱（包括垂直模式和平行模式）系统监测并解析了从Mn(II)₃到混合价态及更高氧化态物种的逐步氧化过程及其自旋态。第三，通过气相色谱–质谱联用（GC–MS）分析了以环己烷和乙烷为底物的催化氧化反应产物，定量评估了催化活性和选择性。最后，使用自旋探针DMPO结合EPR和GC–MS，探究了高价锰中间体的氧化能力及其反应路径。

**3.1 三核Mn(II)Mn(II)Mn(II)簇（1）的电喷雾电离质谱分析**
高分辨电喷雾电离质谱分析确认了配合物1的三核组成，其主同位素包络对应于质子化的三核物种[Mn₃(OAc)₄(7-Dipy) + H]⁺，未检测到明显的单核或双核锰碎片信号，支持了1是由7-二吡啶配体和桥连乙酸根稳定的结构完整的三核Mn(II)₃物种。

**3.2 混合价Mn(III)Mn(II)Mn(II)三核簇（2）的晶体结构**
单晶X射线衍射揭示了阴离子交换配合物2具有一个由7-二吡啶骨架和乙酸根桥支持的三角Mn₃核心。所有三个锰离子均为六配位，顶端的Mn(1)处于扭曲的（伪）八面体环境中。两个乙酸根配体在顶端结合，并将其氧供体向下延伸以配位两个基底Mn离子，形成乙酸根“缝合”的多核框架。Mn···Mn距离表明相对较近的Mn-Mn接近性，为氧化时的多中心氧化还原再分布提供了结构基础。

**3.3 EPR研究：Mn(II)₃向混合价三核物种的氧化**
完全还原的前驱体1在77 K的EPR谱显示在g ≈ 2附近有一个强烈的特征，并伴有分辨出的六重线图案，与单个⁵⁵Mn核的超精细耦合一致。氧化的混合价配合物2的谱图则显示一个宽且近乎各向同性的信号。当用两当量TBHP氧化1或2时，EPR响应发生显著变化：在g ≈ 2附近出现了一个清晰分辨的16线信号，这通常归属于强耦合的混合价Mn(III)/Mn(IV)单元产生的有效S = 1/2基态流形。使用不同锰盐前驱体在相同氧化条件下均产生此16线信号，表明混合价物种的形成是Mn₃核心固有的。在强氧化、低温条件下（-50°C，过量TBHP），除了16线信号外，还观察到一个额外的低场共振（g_eff ≈ 5），该特征仅在强氧化低温条件下出现，并在短暂升温后减弱，表明形成了一个更高氧化态、热不稳定的中间体。添加乙烯二醇可改善此信号的锐度。平行模式EPR检测还揭示了一个独特的11线图案，该信号在升温后消失，表明它是一个瞬态的氧化水平。这些数据共同支持Mn₃核心在强氧化低温条件下可逐步多电子氧化，超越Mn(III)₂Mn(IV)状态，可能涉及多个Mn(IV)中心耦合产生整体S = 3/2基态。

**3.4 μ-氧桥连混合价Mn₃物种的ESI–MS证据**
对用TBHP处理后的配合物1进行ESI–MS分析，在正离子模式下观察到两个突出的双电荷同位素包络，其同位素间距与M²⁺离子预期的一致，支持氧化后Mn₃骨架的保留，并初步归属于μ-氧桥连的混合价物种。

**3.5 配合物1和2介导的烷烃催化氧化**
以环己烷为模型底物、TBHP为终端氧化剂，评估了三核锰簇对强C–H键的氧化能力。配合物1在室温甲醇中与TBHP反应，观察到环己醇和环己酮的形成。在标准条件下，周转数（TON）为14.3，醇酮比约为3:2。增加TBHP负载量可提高TON，最高达62.5。反应在最初几分钟内基本完成。溶剂效应研究表明，添加乙烯二醇会改变产物选择性，促进环己酮的生成。混合价晶体配合物2也表现出可比的催化活性。时间进程实验表明产物形成主要发生在前3分钟，这与高活性Mn(IV)富集中间体的快速生成一致。对照实验证实催化活性与三核锰体系密切相关。催化后反应混合物的EPR和ESI–MS分析表明三核锰框架在催化条件下具有显著的结构韧性和可逆的氧化还原活性。该体系甚至能活化乙烷的强C–H键，生成乙醇和乙醛。在没有烷烃底物的情况下，配合物1也能催化TBHP分解为丙酮和甲醇，表明其能促进过氧化物歧化和O–O键断裂。

**3.6 TBHP氧化的配合物1与DMPO的反应**
使用DMPO作为机理探针进一步评估了由配合物1生成的高价Mn₃物种的氧化能力。将1与TBHP在室温反应后冷冻，产生了特征性的16线信号和g_eff ≈ 5低场信号。随后加入DMPO，锰的多线EPR信号消失，并出现一个菱形的三线信号。室温下的EPR谱显示一个以g = 2.006为中心、分辨良好的三线信号，其氮超精细耦合常数为A_N = 13.5 G，缺乏额外的质子超精细分裂。这与DMPO作为传统自旋捕获剂时形成的加合物特征不符，而是与通过氮氧化物部分氧化转化产生的氮中心氮氧自由基信号一致。GC–MS分析证实了DMPO衍生氧化产物的形成，其碎片离子模式与开环的MNPA或MNOPA型物种一致。这些结果表明DMPO被高度氧化的锰中间体直接氧化，而非捕获自由扩散的自由基物种。

总结讨论部分，研究人员通过系统研究证明，7-二吡啶骨架支持在结构明确的三核锰框架内进行可控的多电子氧化。从完全还原的Mn(II)₃核心开始，用过氧化物试剂逐步氧化生成混合价Mn(III)₂Mn(IV)物种，其特征是由交换耦合锰中心产生的独特16线S = 1/2 EPR信号。在强氧化、低温条件下，额外的光谱特征（包括11线平行模式信号和低场g_eff ≈ 5共振）为获得更高价态富Mn(IV)状态（可能接近Mn(IV)₃流形）提供了有力证据。这些数据表明，三个氧化当量可以在单个Mn₃平台内积累，同时保持簇的完整性。氧化的Mn₃物种对强C–H键表现出明确的氧化能力。环己烷的快速氧合和乙烷在温和条件下的可测量氧化证实了高价簇可以介导多电子氧原子转移。溶剂依赖的选择性和快速的催化起始与高价Mn–氧中间体的原位形成一致。此外，DMPO氧化为开环MNPA型产物支持了强氧化性金属中心物种的参与，而非简单的自由基捕获路径。

研究结论翻译如下：总之，本研究证明7-二吡啶骨架支持在结构明确的三核锰框架内实现可控的多电子氧化。从完全还原的Mn(II)₃核心出发，用过氧化物试剂逐步氧化生成混合价Mn(III)₂Mn(IV)物种，其特征是由交换耦合锰中心产生的独特16线S = 1/2 EPR信号。在强氧化、低温条件下，额外的光谱特征——包括11线平行模式信号和低场g_eff ≈ 5共振——为获得更高价态富Mn(IV)状态（可能接近Mn(IV)₃流形）提供了令人信服的证据。这些数据确立了三个氧化当量可以在单个Mn₃平台内积累，同时保持簇完整性。氧化的Mn₃物种对强C–H键表现出明确的氧化能力。环己烷的快速氧合和乙烷在温和条件下的可测量氧化证实了高价簇可以介导多电子氧原子转移。溶剂依赖的选择性和快速的催化起始与高价Mn–氧中间体的原位形成一致。此外，DMPO氧化为开环MNPA型产物支持了强氧化性金属中心物种的参与，而非简单的自由基捕获路径。总之，这项工作表明，可控的多电子氧化还原积累可以在结构明确的三核锰骨架内实现，从而能够获得能够进行C–H键氧合的高价富Mn(IV)状态。因此，7-二吡啶平台为稳定高价Mn₃流形以及系统探究簇结构如何影响过氧化物活化和氧转移反应性提供了一个明确的框架。这些发现拓展了多核锰化学的范围，并为设计协同的多金属氧化催化剂提供了指导原则。