德国莱布尼茨催化研究所-兰州化物所Angew：基于生物质基羰源的胺需氧N-甲酰化反应

科学温故社 · 公众号 · · 2024-05-27 16:44

正文

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第一作者和单位：代兴超、韩云燕，德国莱布尼茨催化研究所

通讯作者和单位： Angelika Brückner、Jabor Rabeah、焦海军教授，德国莱布尼茨催化研究所；石峰研究员，中国科学院兰州化学物理研究所

原文链接： https://doi.org/10.1002/anie.202402241

关键词：生物质增值化，甲酰替代物，氧化N-甲酰化，全碳利用，氧气

内容速览

生物柴油副产物甘油及其衍生物分子C-C键选择性氧化活化断键原位构建含羰中间体与胺反应制备高附加值甲酰胺是实现其增值利用的有效途经之一。但是由于C-C键高的化学惰性以及O ₂ 分子选择性活化生成高反应活性氧物种困难，需氧条件下甘油及其衍生物分子C-C键选择性活化断键，碳原子全利用作为羰基源制备甲酰胺仍然是一个挑战。在本工作中，作者通过构筑g-C ₃ N ₄ 负载的单一Cu ^II N ₄ 活性位点，首次以O ₂ 为氧化剂，实现了甘油衍生物甘油酮C-C键选择性、连续氧化断键，碳原子全利用与胺类化合物反应制备甲酰胺。实验和计算结合结果表明， ^● OOH自由基是反应活性氧物种， ^● NR ¹ R ² 自由基启动了甘油酮的C-C键断键，二者协同催化甘油酮C-C键选择性、连续氧化断键。

背景介绍

甲酰胺是一类重要的含氮化学品，在工业和合成化学中有着广泛的应用，但是当前甲酰胺的工业生产依赖高毒性的CO，存在严重的生产安全隐患。因此，发展可持续且安全的甲酰化试剂成为当前该领域急需解决的问题。作为生物柴油的主要副产物，甘油及其衍生物的增值利用能够有效促进生物柴油的生产。甘油及其衍生物含有丰富的O原子，C/O原子比通常接近1/1，是潜在的羰基源。因此，如果能够直接以甘油及其衍生物为羰基源，通过C-C键选择性活化断键原位形成含羰中间体，与胺反应制备甲酰胺无疑是一条可持续的合成路径。

1催化剂的合成与表征

本工作中，作者以二价铜盐或者二价铜盐和1,0-菲咯啉形成的铜配合物为金属前驱体、三聚氰胺为C ₃ N ₄ 前驱体，通过一锅热缩聚的方法制备了催化剂Cu/C ₃ N ₄ 、Cu _phen /C ₃ N ₄ . XRD确认二者都形成了g-C ₃ N ₄ （Figure 1a）。XPS表明，与Cu/C ₃ N ₄ 相比，Cu _phen /C ₃ N ₄ 表面暴露了更高比例的Cu ^II 位点（Figure 1b）。不同温度的EPR谱图显示，Cu _phen /C ₃ N ₄ 含有更高的Cu ^II 含量、更高比例的孤立Cu ^II 位点以及更多的Cu ^II N _x 位点（Figure 1d）。XANES揭示Cu _phen /C ₃ N ₄ 中铜物种的氧化态比Cu/C ₃ N ₄ 更高，接近+2价（Figure 1e）。EXAFS表明Cu _phen /C ₃ N ₄ 中无Cu-Cu配位、Cu-N配位数为4.4（Figure 1f）。

Figure 1. a) XRD pattern, XPS spectra of b) Cu2p and c) N1s, d) EPR spectra, e) Normalized Cu K-edge XANES and f) k ³ -weighted FT-EXAFS spectra of catalysts.

2催化性能

本工作以苯胺和甘油酮的N-甲酰化反应为模型，对制备的催化剂进行性能评价和反应参数优化 (Figure 2)。结果表明， Cu _phen /C ₃ N ₄ 催化剂展示出了最好的催化活性，且催化剂制备阶段1,10-菲咯啉和二价铜盐的配位作用对于好的催化性能的获得具有重要作用。1,4-二氧六环是最佳的反应溶剂，O ₂ 是反应必须的。

Figure 2. Catalyst screening and optimization of reaction conditions. Reaction conditions: catalyst 25 mg, aniline 3 mmol, DHA 0.33 mmol (1 mmol carbon), O ₂ 5 bar, 1,4-dioxane 2 mL, 150 ^o C, 12 h. [a] Catalyst (0.38 mg Cu(NO ₃ ) ₂ •3H ₂ O + 0.57 mg phen). [b] Catalyst (0.38 mg Cu(NO ₃ ) ₂ •3H ₂ O + 0.57 mg phen + 24 mg C ₃ N ₄ ).

3反应机理

催化剂和苯胺的原位EPR实验结果表明，Cu _phen /C ₃ N ₄ 和Cu/C ₃ N ₄ 中的Cu ^II 物种能够在反应温度下通过单电子转移氧化苯胺生成苯胺阳离子自由基 ^+● NH ₂ Ph，同时自身被还原为Cu ^I 。在此基础上引入O ₂ ，可以重新氧化Cu ^I 到Cu ^II 物种并选择性活化O ₂ 生成超氧阴离子自由基O ₂ ^-● （Figure 3a-b）。与Cu/C ₃ N ₄ 相比，Cu _phen /C ₃ N ₄ 拥有更加有效的Cu ^II /Cu ^I 催化循环（Figure 3c）。EPR-DMPO自选捕获实验和ESI-MS确认了 ^● NHPh和O ₂ ^-● 的生成（Figure 3d-f）。

Figure 3. a) and b) In situ EPR spectra of the mixture of catalysts and aniline measured at 110 K before and after treatment at 423 K for 5 min under Ar and O ₂ . c) The variation of EPR signal intensity. Experimental (black) and fitted EPR spectra (red) of DMPO spin adducts. For fitting the following shfs parameters were used: A _N1 = 14.3, A _H = 15.6 G, A _N2 = 2.7 for ^● NHPh and A _N = 13.5, A _ßH = 9.8, A _γH = 1.1 G for O ₂ ^-● . d) Heating the mixture of Cu _phen /C ₃ N ₄ , aniline and 1,4-dioxane under Ar at 423 K for 30 min. e) After d), introduction of O ₂ and reaction at 423 K for 10 min. f) Heating the mixture of Cu _phen /C ₃ N ₄ catalysts and 1,4-dioxane under O ₂ at 423 K for 30 min.

EPR-DMPO自选捕获控制实验表明， ^● NHPh能够有效进攻甘油酮，生成 ^● C自由基，而O ₂ ^-● 几乎不能与甘油酮反应（Figure 4a-d）。因此推测，在反应的起始阶段， ^● NHPh优先进攻甘油酮切断其C-C键，生成 ^● C自由基中间体。

Figure 4. Experimental (black) and fitted EPR spectra (red) of DMPO spin adducts. For fitting the following hfs parameters were used: A _N1 = 14.3, A _H = 15.6 G, A _N2 = 2.7 for ^● NHPh, A _N = 14.6, A _H = 20.3 G for ^● C and A _N = 13.5, A _ßH = 9.8, A _γH = 1.1 G for O ₂ ^-● . a) After heating the mixture of Cu _phen /C ₃ N ₄ , aniline and 1,4-dioxane under Ar at 423 K for 30 min, addition of DHA and reaction for 10 min. b) After heating the mixture of the Cu _phen /C ₃ N ₄ catalyst and 1,4-dioxane under O ₂ at 423 K for 30 min, addition of DHA and reaction for 10 min. c) After heating the mixture of Cu _phen /C ₃ N ₄ catalyst and 1,4-dioxane under O ₂ at 423 K for 30 min, addition of aniline and reaction for 10 min. d) After c), addition of DHA and reaction for 10 min.

DFT计算结果表明（Figure 5）， ^● NHPh能够进攻甘油酮的羰基碳，发生亲核取代反应，生成中间体 In-1 和自由基 ^● CH ₂ OH。中间体 In-1 已经通过GC-MS检测到且优化的反应条件下中间体 In-1 能够有效转化为甲酰胺目标产物。

对于自由基 ^● CH ₂ OH，其能够迅速与 ^● NHPh结合生成半缩醛胺中间体 In-2 ，然后被原位形成的 ^● OOH和O ₂ 氧化为甲酰胺产物。

对于生成的中间体 In-1 ，它能够进一步被 ^● NHPh进攻生成自由基中间体 In-3 ，然后与 ^● OOH自由基结合形成中间体 In-4 。随后，中间体 In-4 逐步分解生成苯甲酰自由基中间体 ^● CONHPh和甲酸。其中，中间体 In-4 、苯甲酰自由基的二聚体以及甲酸均已通过GC-MS和 ¹ H NMR检测到。

Figure 5 Gibbs free energy profile for the most favored reaction route.

4底物扩展

Cu _phen /C ₃ N ₄ 催化剂对不同结构和类型的胺底物以及生物基甘油醛和乙醇醛展示出了优异的适用性。

心得与展望

该工作突破已有的过氧化物体系，首次实现了需氧条件下甘油衍生物甘油酮碳原子全利用作为羰基源制备甲酰胺。实验和DFT计算结果表明，催化剂的高活性源于良好的Cu ^II /Cu ^I 催化循环。甘油酮C-C键连续断键的两次过程中，氮自由基 ^● NR ¹ R ² 启动了甘油酮的C-C键裂，而 ^● OOH自由基作为反应活性氧物种，是甲酰胺产物形成所必需的。该研究揭示了氮自由基和 ^● OOH自由基在生物基平台分子C-C键选择性氧化断键中的协同作用，为C-C键选择性氧化活化转化高活性催化体系的开发提供了思路。

参考文献

Dai, X., Han, Y., Jiao, H., Shi, F., Rabeah, J., & Brueckner, A. Aerobic Oxidative Synthesis of Formamides from Amines and Bioderived Formyl Surrogates. Angew. Chem. Int. Ed. , e202402241.

文本编辑：Hiphone

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