第一作者：刘希希，黄亮
通讯作者：张泽会
通讯单位：中南民族大学
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51307-8
由ZIF-8简单热解制备的具有惰性Zn-N
4
基序的单原子催化剂，出乎意料地对醇的活化有效，能够实现醇介导的烷基化和氢转移反应。而且对于腈、酮、醇、N-杂环、酰胺、酮酸和酯的C-烷基化，以及胺和酰胺的N-烷基化都能以此方法顺利进行。以腈与醇的α-烷基化为例，其α-烷基化主要包括以下两个步骤：1）氮掺杂碳载体催化醇脱氢为醛，醛进一步与腈缩合得到乙烯基腈；2）乙烯基腈中C=C键在Zn-N
4
位点上通过醇的氢转移还原。实验结果和DFT计算表明，路易斯酸性Zn-N
4
位点通过活化醇来促进氢转移。这是首例使用生物质衍生醇作为烷基化试剂和氢供体进行各种有机转化的高效单原子催化剂。
到目前为止，文献报道的腈的烷基化反应主要是通过均相催化体系实现，且通常需要使用强碱性的叔丁醇钾/钠或者氢氧化钾/钠作为添加剂。对于非均相催化体系，目前仅有很少的报道，且均为贵金属催化体系，而且底物范围非常有限。因此，设计用于腈与醇α-烷基化的新型非均相非贵金属催化剂体系仍有很大的空间，以实现其在高活性、宽底物范围和高稳定性方面的目标。
以生物质衍生的醇（包括芳香醇和惰性脂肪醇）为氢源，通过单原子Zn催化剂上的Zn-N
4
Lewis 酸位点催化氢转移实现多种烷基化反应，包括腈、酮、酮酸、醇、砜、酯、及氮杂环化合物的C-烷基化，以及酰胺和胺类的N-烷基化反应。这是首例使用生物质衍生醇作为烷基化试剂和氢供体进行各种有机转化的高效单原子催化剂。
Figure 1.
Preparation and characterization of the
as
-prepared
catalysts: (a) schematic illustration of the
preparation of the Zn-N
4
-C catalyst, (b ~ d) TEM images, (e) XRD
patterns, (f) Raman
spectra, and (g) N 1
s
XPS of the Zn-N
4
-C catalyst.
TEM图表明950 ℃热解所得的催化剂仍保留ZIF-8的框架结构。XRD谱图中没有观察到Zn物种的衍射峰，说明了Zn物种在催化剂中的高分散。N 1s XPS 谱图将催化剂中的N物种拟合成四种存在形式，分别是吡啶N、Zn-N、吡咯N和石墨N。
Figure 2.
Fine structure characterization of the
Zn-N
4
-C catalyst. (a) The aberration-corrected HAADF-STEM image of Zn-N
4
-C
(single-atom Zn is highlighted with red circles), (b) Zn K-edge XANES spectra
of Zn-N
4
-C, ZnO and Zn foil, (c) Fourier transforms (FTs) of the k
2
-weighted
c(k) functions of the EXAFS spectra for the Zn K-edge, (d & e)
Corresponding EXAFS fitting curves in k and R space, respectively; inset shows
a model of the Zn environment, (f) WT-EXAFS image of Zn-N
4
-C
catalyst.
球差电镜中红色圈出的亮点代表单个的Zn原子，证明了Zn物种以单个原子的形式分散。随后，通过同步辐射表征揭示单原子Zn催化剂中Zn物种的价态及配位微化学环境。通过与Zn箔和ZnO的XANES谱图对比，发现单原子Zn催化剂中Zn的价态介于0和+2之间，更接近+2价。EXAFS 谱图表明，单原子Zn催化剂中只有Zn-N键，没有Zn-Zn和Zn-O键，说明单原子中的Zn通过与载体中的N配位锚定在催化剂上。通过模拟计算，得出Zn与N之间的配位数为4，从而推断单原子催化剂的结构为四个吡啶N配位的单个Zn原子，故命名为Zn-N
4
-C。
Figure 3.
Results of the α-alkylation of nitriles with alcohols. Reaction conditions: aromatic alcohols (0.55
mmol), nitriles (0.5 mmol), hexane (10 mL), the Zn-N
4
-C catalyst (20
mg), NaNH
2
(1 equiv.), N
2
(10 bar) and 160
o
C;
b
These reactions are performed at 180
o
C;
c
These reactions are performed at 200
o
C. Note: Aliphatic alcohols are
also used as the solvents; The yields in Figure 3 are the isolated yields; The “Pro. x” represents “Product x”, and “x” is the number of the compound
synthesized in this manuscript. The red part represents that it derives from
alcohol.
单原子Zn催化剂能够高效催化腈和醇的α-烷基化反应，而且对于不同的芳香醇和脂肪醇，甚至是惰性的甲醇，乙醇依然具有超高活性。其催化活性可以与贵金属催化体系相媲美。
Figure 4.
The results of different types of alkylation reactions over Zn-N
4
-C. Reaction
conditions: substrate (0.5 mmol), benzyl alcohol (5 mmol), hexane (10 mL), the
Zn-N
4
-C catalyst (20 mg), NaNH
2
(1 equiv.), N
2
(10 bar), and 180
o
C; Note: Methanol and ethanol are used as the
reaction solvent, when they are used as the alkylating reagents; The yields in Figure 4 are the isolated yields; The “Pro. x” represents “Product x”, and “x” is the number of the compound
synthesized in this manuscript.The blue part
represents that it derives from alcohol as alkylating reagents.
此外，该单原子Zn催化剂对于酮、酮酸、醇、酯、砜、酰胺、胺的烷基化反应也是有效的。充分证明了该催化剂具有良好的普适性。
Figure 5.
Energy profiles and
optimized structure for transfer hydrogenation of 2,3-diphenylacrylonitrile with benzyl alcohol as the hydrogen donor.Note:
[Red: Oxygen atom; Blue: Nitrogen atom; White, Hydrogen atom; Gray: Carbon
atom.]
DFT理论计算用于研究2,3-二苯基丙烯腈转化为2,3-二苯丙腈的氢化机理，这是整个反应的关键和速率决定步骤。首先，NaNH
2
从苯甲醇（C
6
H
5
CH
2
OH）的羟基（-OH）中捕获H
δ+
形成C
6
H
5
CH
2
O
-
，然后C
6
H
5
CH
2
O
-
物种通过路易斯酸-碱相互作用与Zn-N
4
-C催化剂中的单个Zn原子位点紧密结合以活化C
6
H
5
CH
2
O
-
物种，随后C
6
H
5
CH
2
O
-
中-C
α
-H的H
δ-
原子转移到2,3-二苯基丙烯腈中间体[C
6
H
5
-C1H=C2(CN)C
6
H
5
]的C=C键中的一个碳原子上。其中，转移到C1原子（E
a
=0.82 eV）的能量比转移到C2原子的能量（E
a
=2.79 eV）更低。
Figure 6.
Possible reaction mechanism for the α-alkylation of phenyl acetonitrile
with benzyl alcohol over
the Zn-N
4
-C catalyst. Note: [Red: Sodium atom;
Blue: Nitrogen atom; Light green: Hydrogen atom; Pink: Zinc atom; Gray: Carbon
atom.]
根据实验理论计算结果，提出了苯甲醇与苯乙腈烷基化反应的反应机制。首先，少量苯甲醇脱氢生成苯甲醛，然后在NaNH
2
的存在下与苯乙腈缩合生成2,3-二苯基丙烯腈，用于引发随后的氢转移反应。苯甲醇-OH基团的H
δ+
被NaNH
2
捕获，产生烷氧基阴离子，吸附在Zn-N
4
位点。随后，烷氧基阴离子的α-C-H和H
δ+
分别转移到2,3-二苯基丙烯腈[C
6
H
5
-C1H=C2(CN)C
6
H
5
]的C1和C2原子上，产生目标2,3-二苯丙腈和苯甲醛。然后，苯甲醛与苯乙腈缩合生成2,3-二苯基丙烯腈，并开始下一个循环的转移氢化过程。
综上所述，尽管已经证明该单原子Zn催化体系能够高效催化多种烷基化及氢转移反应，但是，大多数的烷基化反应依然需要使用强碱性添加剂以促进醇的氢转移和缩合步骤，这不符合绿色可持续发展的原则。因此，开发高效非贵金属催化剂以实现无添加剂的烷基化反应是未来研究的目标和方向。
Liu, X., Huang, L., Ma, Y.
et al.
Enable biomass-derived
alcohols mediated alkylation and transfer hydrogenation.
Nat. Commun.
15
,
7012 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51307-8
张泽会
，中南民族大学化学与材料科学学院教授，博士生导师，国家优秀青年基金项目获得者（2019），教育部霍英东基金会青年教师奖获得者，湖北省杰出青年科学基金获得者，课题组围绕“绿色化学”理念，设计新型催化反应体系，开展可再生生物质能源化学、绿色有机合成、多相催化等研究。其团队近年来已在Nature Communications、Science Advances、Chem、Angewandte Chemie International Edition、Journal of the American Chemical Society、Advanced
Materials, Chemical Society Reviews等国际顶级期刊发表了系列相关重要成果，H指数58，为该研究领域的发展做出了积极贡献。
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