Remote Positioning of Cations Tunes Catalytic Fe‐Mediated Nitrogen Fixation Selectivity for Hydrazine Instead of Ammonia in Protic Media

化学 联氨(抗抑郁剂) 催化作用 阳离子聚合 选择性 配体(生物化学) 氧化还原 还原剂 组合化学 无机化学 氮气 电化学 选择性催化还原 反应机理 光化学 氨生产 反应性(心理学)
作者
Lucie Nurdin,Hoimin Jung,Jonas C. Peters
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (12): e24836-e24836
标识
DOI:10.1002/anie.202524836
摘要

Understanding the basis of product selectivity is a central issue in catalyst design. Catalytic nitrogen reduction (N2R) provides a salient example; whereas ammonia (NH3) is the common product of N2R, hydrazine (N2H4) is produced under certain conditions. Using mechanism-guided design, we report a strategy for tuning redox potential that enables selective reduction of dinitrogen to hydrazine by iron complexes in polar protic media. Incorporation of cationic trimethylammonium (NMe3 +) or proton-responsive dimethylamino (NMe2) groups into a tris(phosphino)borane (P3 B) ligand framework affords redox-tunable iron precatalysts that operate efficiently in methanol. Computational analyses reveal that these ligand modifications anodically shift the reduction potential of an iron hydrazido (Fe═NNH2) intermediate by >400 mV, thereby influencing the key branch point for hydrazine versus ammonia. Critical to success is positioning the cationic charges remote from the Fe-N2 binding site to preserve the high degree of N2 activation required for functionalization. Newly prepared tricationic iron complexes, soluble and stable in polar protic media, catalyze N2R with N-fixed yields of up to 73% per reducing equivalent consumed, and with hydrazine selectivity exceeding 20:1 over ammonia. This work highlights the use of remote electrostatic effects to tune multi-electron catalytic product profiles from a 6e- to a 4e- product.
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