李亚栋院士/石大（华东）杨妲/王立刚JACS：基于原子级不对称调节的Co1−N3P1助力高效胺与醇的N-烷基化反应

第一作者：刘欢（清华大学）

通讯作者：李亚栋（清华大学），杨妲（中国石油大学（华东）），王立刚（清华大学）

通讯单位：清华大学，中国石油大学（华东）

胺及其衍生物是重要的有机含氮化合物，在天然产物、生物活性分子、农用化学品和药物合成中发挥着重要作用。与传统制备有机胺的方法相比，胺与醇的N-烷基化反应具有较高的原子经济性、副产物只有水。该反应包括三步串联：醇脱氢生成醛，醛与胺缩合生成亚胺，亚胺转移加氢生成产物胺。均相催化剂常用于此类反应，其活性虽然较高但存在稳定性低、产品中残留金属、配体昂贵和难以回收利用等问题。为了解决上述问题并降低成本，近年来，可回收和重复利用的多相催化剂作为可替代催化剂被越来越多的报道。然而多相催化剂存在活性低、选择性差、反应温度高的缺点。因此，开发高效的多相催化剂对于N-烷基化反应而言具有重要意义。

单原子催化剂作为一种新兴的多相催化剂，具有100%原子利用率、明确的配位构型、可调变的配位环境、以及良好的回收可循环性，已成功应用于多种有机反应中，并达到与均相催化剂相媲美的活性和选择性。同时，单原子催化剂在局部结构上具有明确的配位构型，在催化机制上与均相催化剂更为类似，因此调变单原子催化中心的配位环境同样重要。在大多单原子催化剂种，在载体上可控的引入N、S、O、P等非金属杂原子与金属中心配位，起到稳定金属中心和调控其配位环境的目的。

尽管非贵金属在醇与胺的N-烷基化反应中已得到了广泛的应用，但开发具有高选择性、活性和稳定性的催化剂仍然面临挑战。通过与第二种杂原子的不对称配位可控制备单原子催化剂，为提高过渡金属单原子催化剂的本征活性提供了新的机遇。近日，李亚栋院士（点击查看介绍）团队采用简单的浸渍-热解工艺——通过在ZIF-8上吸附Co-P配合物热解后快速制备不对称N/P杂化配位的Co₁-N₃P₁。详细结构分析表明，Co₁-N₃P₁中的Co原子与三个N原子和一个P原子配位。选择等当量的Co-P配合物（Co(PPh₃)₂Cl₂）作为P源和Co源，可精准构筑不对称N/P混合配位的Co-SAC，同时大大简化了合成过程，为构建不对称配位的单原子催化剂提供了一种直接而精确的方法。该催化剂在苯胺和苯甲醇的N-烷基化反应中表现出超高的活性和选择性，苯胺的转化率为94%，产物胺的选择性为97%，TON值为3480，比已报道的催化剂高出1个数量级，甚至比均相催化剂CoCl₂(PPh₃)₂高37倍，TOF值为174^-h。其TON和TOF是对称配位Co₁-N₄的4倍，在已报道的催化剂中也处于最高水平。此外，该催化剂在6次循环后仍保持较高的活性和选择性。通过控制实验和同位素标记实验，证明了单氢化物路线的转移加氢机理。机理研究证实，P原子与Co中心配位的电负性较低，使得不对称Co₁-N₃P₁比对称Co₁-N₄具有更高的d带能级，从而产生了更稳定的反应中间体和更低的反应能垒，使催化剂表现出高活性。动力学曲线、理论计算等表明：与Co₁-N₄相比，Co₁-N₃P₁中Co电子密度较高，与醇的β-C-H易形成的更稳定的四元环过渡态，是催化剂活性高的原因，是反应的决速步。

图1. Co₁-N₃P₁合成过程示意图及相应的表征图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图2. Co₁-N₃P₁在苯甲醇和苯胺的N-烷基化反应中的性能研究 图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图3. Co₁-N₃P₁体系下N-烷基化反应的机理探究。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图4. N-烷基化反应的底物普适性考察。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是清华大学博士后刘欢，通讯作者是李亚栋院士、王立刚和中国石油大学（华东）副教授杨妲。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Atomic-Level Asymmetric Tuning of the Co₁−N₃P₁ Catalyst for Highly Efficient N‑Alkylation of Amines with Alcohols

Huan Liu, Luyao Tian, Zhentao Zhang, Ligang Wang,* Jialu Li, Xiao Liang, Jiahao Zhuang, Hang Yin, Da Yang,* Guofeng Zhao, Fabing Su, Dingsheng Wang, and Yadong Li*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c07197

导师介绍

李亚栋

https://www.x-mol.com/university/faculty/12007