全文速览浙江大学化学前瞻技术研究中心李浩然教授课题组与洪鑫教授课题组利用丰产金属Mn基催化剂体系，高选择性催化源于二氧化碳（CO2）的尿素衍生物或氨基甲酸酯（两种最具挑战性的羰基化合物）的半加氢，生成反应性更强的甲酰胺类化合物。该体系可将CO2转化成高附加值产品，同时也可以应用于聚氨酯的回收。以往用于该类反应都是贵金属催化剂，Mn催化剂由于CO配体存在，限制了它的加氢性能。该工作设计参与催化反应的配体（Noninnocent ligand，非无辜配体），通过协同作用稳定Mn中心，同时从H2分子转移两个氢原子，从而避免了传统不参与催化反应配体（Innocent ligand，无辜配体）体系能量要求高的H2配位步骤。
背景介绍近几十年来，在酮类和醛类以及酯类和酰胺类等具有挑战性的底物的加氢方面取得了重大进展。然而，羰基化合物在催化加氢反应中的反应性强烈依赖于羰基的亲电性，并遵循甲酸酯 >甲酰胺类化合物> 碳酸盐> 氨基甲酸酯> 脲类的反应顺序。由于氨基甲酸酯和尿素衍生物中的羰基亲电性低，它们的加氢反应和对羰基的亲核进攻反应较弱，所以研究相对较少。自从Milstein团队在2011年报道了Ru催化尿素衍生物加氢得到胺和甲醇的开创性工作以来，尿素衍生物或氨基甲酸酯的加氢逐渐受到研究人员的关注。由于氨基甲酸酯或尿素衍生物比甲酰胺类化合物的加氢反应性更差，因此很难在这些加氢制甲醇的催化体系中富集甲酰胺类化合物。此外，氨基甲酸酯选择性加氢制甲酰胺类化合物比尿素衍生物更难控制，因为该过程涉及到C−N（加氢脱氨）和C−O（加氢脱醇）键的选择性断裂。总的来说，氨基甲酸酯或尿素衍生物选择性加氢生成反应性更强的甲酰胺类化合物，而不损失源自于CO2的羰基部分是非常有意义的，也是极具挑战性的。
研究出发点目前尿素衍生物或氨基甲酸酯（两种最具挑战性的羰基化合物）选择性加氢制反应性更强的甲酰胺类化合物的研究主要集中在Ru或Ir基贵金属催化剂体系，而Mn基丰产金属催化剂的催化活性和选择性仍不理想。众所周知，催化剂的催化活性和选择性在很大程度上取决于金属的性质以及合适的配体。因此，在氨基甲酸酯或尿素衍生物的半加氢反应中，仍然有机会设计合适的配体并增强Mn−H配合物的反应活性，表现出更优异的催化活性和选择性以及底物适用范围。因此，我们从调节配体的角度出发，采用实验和密度泛函理论（DFT）计算相结合的方式，设计了一种高效催化氨基甲酸酯或尿素衍生物半加氢的Mn基催化剂体系。
图文解析对于Mn基体系，稳定Mn(I)金属中心的CO配体通常在与三齿配体络合后被保留。由于CO是强配体，取代它比较困难，从而配位饱和的Mn−H配合物限制了底物与金属中心的配位，抑制了这些羰基化合物的加氢。计算研究表明：该步骤需要明显更高的吸热能，吉布斯自由能变化为57.4 kcal/mol，比Ru基催化剂高32.5 kcal/mol。我们引入参与反应的配体来促进加氢反应，它能使两个氢原子同时从一个H2分子转移，或许可以避免传统配体体系要求很高的H2配位步骤。
Figure 1. Selective hydrogenation of less reactive urea derivatives or carbamates to more reactive formamides by the Mn(I) complex.
为了探索有效的催化剂体系，本研究对配体进行了筛选。在KOtBu助剂存在下，最初利用Mn(CO)5Br结合triphos配体（1）进行加氢实验，1,3 双(4 氯苯基)脲没有发生明显的转化。而Mn金属中心结合吡啶基P(Ph2) NP(Ph2)参与反应配体（2），底物被完全转化，并且以95%的收率得到N-(4-氯苯基)甲酰胺。类似地，将PNP配体2替换为同源P(tBu2)NP(tBu2)配体2'，1,3 双(4 氯苯基)脲同样被完全转化，N-(4-氯苯基)甲酰胺的产率为93%。然而，没有亚甲基臂的吡啶基PNP配体（3）和Mn(CO)5Br 金属前驱体组成的催化剂体系没有类似的催化效果，这表明吡啶基PNP配体（2和2'）上的亚甲基臂可能在该催化过程中发挥重要作用。随后，选用NNP配体（4）结合Mn金属前驱体进行加氢实验。和预期结果一致，NNP型参与催化反应配体（4）可以促进Mn金属催化尿素加氢。但没有检测到N-(4-氯苯基)甲酰胺的存在，主要生成甲醇等其他类型产物。实验结果表明参与反应配体确实有助于促进CO配体稳定的Mn(I)金属催化尿素衍生物加氢。
Table 1 Optimization of Catalytic Conditions for the Hydrogenation of 1,3-Bis(4-chlorophenyl)ureaa
aReaction conditions: substrate (2 mmol), Mn(CO)5Br (1 mol%), Py(CH2PPh2)2 (1.5 mol%), KOtBu (1.5 mol%), H2 (5-60 bar), 1,4-dioxane (4 mL), and 100-140 °C (bath temperature). Determined by GC using biphenyl as the internal standard. Product identification was confirmed by GC-MS and 1H NMR. The yield of amine was reported based on the number of moles of 1,3-bis(4-chlorophenyl)urea, with a maximum yield of 200%. bWithout KOtBu. cWithout Py(CH2PPh2)2.
为了探究尿素衍生物或氨基甲酸酯选择性加氢反应的机理，本研究进行了系列对照实验和氘代标记实验。实验结果证明Mn−H配合物A为催化活性物质，吡啶基PNP参与反应配体和CO配体稳定的锰(I)金属中心通过金属-配体协同作用催化尿素衍生物或氨基甲酸酯选择性半加氢生成甲酰胺类化合物。
Figure 2.Mechanistic studies.
随后，利用DFT计算研究了尿素衍生物或氨基甲酸酯中羰基加氢和C–N键断裂的反应途径。并且基于实验和DFT计算研究，提出了一个合理的催化循环。
Figure 3. Free energy diagram of the catalytic cycle for Mn-catalyzed hydrogenation of 1,3-diphenylurea to N-phenylformamide and aniline, and the calculated regio-determining C–N bond cleavage transition states of 5u.
此外，近年来，为了减少化石燃料的消耗，实现可持续发展，解聚回收塑料废物等新的化工原料已被认为是一个紧迫的社会问题。由于聚氨酯具有与氨基甲酸酯相似的羰基官能团结构，这促使本研究进一步探究了该催化剂体系在聚氨酯化学回收领域的应用。
Figure 4. Catalytic hydrogenation of polyurethane.
总结与展望本工作报道了一种结合参与催化反应配体的Mn基均相催化剂体系，可将反应性较低的尿素衍生物或氨基甲酸酯高效加氢为反应性较强的甲酰胺类化合物。此外，这种地球丰富的金属催化剂体系具有广泛的底物适用性，可用于尿素衍生物或氨基甲酸酯的催化加氢，以制备各种单取代和双取代甲酰胺类产品。我们也证明了该催化剂体系适用于催化聚氨酯加氢降解，并且羰基部分被保留在降解的单体中。机理研究表明，参与反应配体和CO配体稳定的Mn(I)金属中心的协同作用，促进了涉及Mn–H活性配合物A的H–H键激活过程，这是传统配体所无法获得的。同时，DFT计算表明，甲酰胺类化合物进一步加氢生成甲醛和胺是吸热过程，从而抑制了甲酰胺类化合物进一步转化为甲醇。该催化体系可以为塑料废物的化学回收以及CO2的应用提供见解。本研究将有助于加速羰基化合物化学选择性加氢的进一步发展，并推动Mn基丰产金属催化剂体系在CO2固定产物和塑料废弃物选择性加氢反应中的应用。
论文信息：Noninnocent Spectator Ligands Facilitate CO Ligand-Stabilized Mn(I) Metal-Catalyzed Hydrogenation of Urea Derivatives or Carbamates to the More Reactive FormamidesJun Zhu,# Shuoqing Zhang,# Yongtao Wang, Jia Yao, Xin Hong,* and Haoran Li*ACS Catal. 2025, 15, 4911−4920https://doi.org/10.1021/acscatal.5c01249