在催化C(sp3)–H氧化反应过程中形成的三核（salen）锰(IV/III/IV)–μ-氧配合物的晶体学证据

《Dalton Transactions》：Crystallographic evidence of a trinuclear (salen)manganese(IV/III/IV)–μ-oxo formed during catalytic C(sp3)–H oxidation reactions

C–H氧化中锰催化剂的合成、结构与催化活性研究。通过调控轴向配体和锰氧化态，合成了二核锰羟基和三核锰过氧桥连化合物，揭示了锰氧桥键对催化活性的影响。实验表明，三核锰（IV/III/IV）-μ-过氧复合物（5）可作为非循环催化剂促进C(sp3)–H氧化，其结构特征通过X射线晶体学和磁学表征证实。不同轴向配体（如五氟苯氧基和吡唑）对锰催化体系活性无显著影响，表明配体交换在催化循环中起关键作用。研究支持锰（III/V）循环机制，其中单核催化剂在C–H活化步骤中起决定性作用。

　　
锰-氧基催化剂在C(sp3)–H键氧化中的应用与机理研究

1. 研究背景与意义
C-H键氧化反应作为有机合成的重要策略，近年来受到广泛关注。该反应通过直接改造未官能化的碳氢键实现有机分子的快速功能化。虽然自由基介导的C-H氧化已有成熟应用，但金属自由基催化剂因能实现精准调控而成为研究热点。其中，基于司登盐配体的锰金属配合物因其独特的催化性能备受重视。本研究通过系统合成不同氧化态和桥联结构的锰催化剂，揭示了轴向配体和氧化态对催化活性及中间体稳定性的影响规律。

2. 关键合成成果
（1）羟基桥联二聚体合成
以Jacobsen催化剂为模板，通过配体交换反应成功制备了(salen)manganese(III)–μ-hydroxo二聚体（3a/b）。X射线结构分析显示，两个锰(III)中心通过羟基桥联形成平面四边形结构，键角范围153°-172°，羟基键长2.09-2.12 ?。该结构特征与Fries等团队报道的μ-羟基锰配合物类似，但配体空间位阻显著不同。NMR表征显示宽泛的顺磁信号（δ 17.52-26.45 ppm），磁矩测量值（5.2-5.4 μB）表明存在两重抗磁性耦合，验证了二聚体结构。

（2）氧化态调控与三核配合物形成
在空气氧化作用下，二聚体（3a）与过量锰(III)配合物发生氧化-缩合反应，生成三核锰氧配合物（5）。该分子包含两个Mn(IV)/Mn(III)交替排列的中心，通过两个氧桥形成直线型结构（Mn-O-Mn键角166°-172°）。值得注意的是，高氧化态锰(IV)的氧桥键长（1.95 ?）显著短于锰(III)的羟基桥（2.10 ?），证实了金属中心氧化态对桥联键性质的影响。XPS分析显示Mn 3s轨道分裂能5.0 eV，符合高氧化态锰的电子结构特征。

3. 催化活性测试与比较
（1）基础催化性能
所有合成配合物均表现出C-H氧化活性，催化体系包括PhIO氧化剂和9:1 ACN/H2O溶剂体系。转化率数据显示：9,10-二氢蒽（DHA）>99%，萤石（Flu）52-70%，苯基环己烷（CyPh）18-23%。其中DHA的优异转化率（>99%）表明该底物对催化剂活性位具有高亲和力，且KIE值（3.1-3.9）显示单电子转移过程特征。

（2）催化剂稳定性研究
通过UV-Vis光谱跟踪发现，不同前驱体（1a、3a、5）在催化反应中均生成相同特征吸收峰（445 nm），证实活性中间体具有高度一致性。动力学测试表明，以单体（1a）为前驱体的初始速率是三核配合物（5）的2.9倍，但整体周转数无显著差异（表2）。这提示活性中间体可能经过前驱体的快速重组。

4. 催化循环机制解析
（1）二聚体形成机制
实验证实（3a）在溶液中自发形成二聚体，其X射线结构显示两个Mn(III)中心通过羟基桥联，形成类似夹心结构的平面四边形。NMR信号宽化（Δν 9.0 ppm）和磁矩降低（5.4 μB）均支持二聚体形成。该结构与已报道的OEP锰配合物类似，但配体空间位阻显著影响桥联稳定性。

（2）氧化-缩合过程
在PhIO存在下，二聚体（3a）发生氧化缩合：首先形成Mn(V)氧物种（6a），随后与过量Mn(III)前驱体发生比例调控的氧化-缩合反应，最终生成三核配合物（5）。该过程涉及三步关键步骤：① Mn(III)羟基桥联 ② Mn(V)中间体形成 ③ 氧桥联缩合。

（3）动态配体交换
通过NMR监测发现，轴向配体（如PF6?、Pz?）在溶液中存在动态交换。例如，3a在D2O中溶解后，配体交换导致信号扩散，但通过同位素标记证实该交换不影响催化活性。这种动态特性解释了为何不同轴向配体（PF6? vs Pz?）的催化剂（2 vs 3b）催化性能相似。

5. 磁学特性与电子结构
（1）二聚体（3b）磁学分析
固体SQUID磁测量显示，3b的J耦合常数-28.8 cm?1，与文献报道的μ-OH二聚体一致。溶液磁矩5.2 μB表明单核磁性向双核抗磁性耦合转变，但NMR仍显示宽泛信号，说明二聚体在溶液中保持动态平衡。

（2）三核配合物（5）磁学特征
通过变温磁学测试发现，5在室温下表现出显著抗磁性（J = -61.1 cm?1），对应三核锰氧的量子叠加效应。该J值与同类μ-oxo三核配合物一致，证实了三核结构的稳定性。值得注意的是，5在溶液中仍保持磁矩5.4 μB，表明其动态行为与固态结构一致。

6. 催化机理模型
（1）活性中间体假设
基于结构表征和催化性能，提出以下催化循环（图5）：
1. 二聚体（3a）形成：Mn(III)羟基桥联
2. 氧化激活：PhIO氧化生成Mn(V)氧物种（6a）
3. 活性中间体：单体Mn(V)氧物种（6a）通过配体交换与Mn(III)前驱体结合，形成三核μ-oxo复合物（5）
4. C-H活化：活性中间体通过HAT机制活化C(sp3)–H键
5. 转化再生：催化剂再生为二聚体（3a），完成催化循环

（2）关键动力学参数
实验数据显示，DHA氧化对催化剂浓度呈现0.5级依赖关系（kcat = 0.82 s?1 M?1），表明活性物种为单体。而三核配合物（5）的初始速率较单体低，但周转数（TOF）无明显差异，说明三核结构主要作为催化剂的休态存在，而非直接活性物种。

7. 配体效应与催化活性
（1）配体空间位阻影响
对比salen与salophen配体：salophen配体（3b）的桥联羟基键角（153°）较salen配体（3a）的162°更小，但催化效率（DHA转化率>99%）无明显差异。这表明在C-H氧化中，配体空间位阻的影响可能被氧化还原活性所覆盖。

（2）轴向配体动态交换
通过同位素标记实验证实，轴向配体（如PF6?、Pz?）在催化循环中发生快速交换。这种动态特性使不同轴向配体催化剂（如2与3b）在催化性能上趋于一致，但配体稳定性可能影响催化剂寿命。

8. 应用拓展与工业价值
（1）体系通用性
测试了三种不同C(sp3)–H底物（DHA、Flu、CyPh），显示催化剂对芳香族C-H键具有选择性。其中DHA的立体位阻较小，转化率高达99%；而CyPh的环状结构导致位阻较大，转化率仅18-23%，但通过优化溶剂配比（ACN/H2O比例）可将CyPh转化率提升至35%。

（2）催化剂再生机制
通过GC-MS跟踪发现，催化反应中锰配合物保持稳定，DHA氧化后仍能检测到原配合物特征峰。这表明催化剂在氧化过程中未发生分解，而是通过配体交换实现活性再生。

9. 研究局限与未来方向
（1）当前局限
1. 实验未深入探究三核配合物（5）的直接催化作用
2. 动态配体交换机制需进一步验证
3. 工业级放大实验尚未开展

（2）未来研究方向
1. 开发可调控桥联结构的催化剂，优化C-H活化能垒
2. 探索不同氧化态锰配合物（IV/III/IV）的电子结构差异
3. 建立催化剂失活与配体交换的定量关系模型
4. 探索非传统配体（如穴醚、大π体系）的协同效应

10. 理论创新点
（1）首次报道三核Mn(IV)/Mn(III)/Mn(IV)氧桥配合物
（2）建立轴向配体动态交换与催化性能的构效关系
（3）提出"催化剂休态"概念，解释多核配合物的催化行为
（4）揭示锰氧化态在C-H活化中的关键作用机制

11. 工业应用前景
该催化剂体系在多个领域具有潜在应用价值：
- 化学医药：DHA作为典型芳香族C-H键，其高效活化可应用于香精合成
- 材料化学：Flu转化产物为高分子材料单体
- 环境治理：CyPh氧化可减少塑料污染
- 能源存储：氧化产物可作为锂离子电池电极材料

12. 总结
本研究通过系统合成不同氧化态和桥联结构的锰配合物，揭示了C-H氧化反应中金属中心的动态行为。实验证实三核μ-oxo配合物（5）虽为热力学稳定体，但通过快速配体交换仍可维持催化活性。该发现为设计高效、稳定的金属自由基催化剂提供了新思路，特别是在动态配体交换机制和氧化还原循环的协同作用方面具有重要启示。后续研究将聚焦于催化剂工程化改造和反应机理的量子化学模拟，以实现催化性能的定向优化。