第一作者：刘挺豪 博士
通讯作者：杨华清 教授 、许曙光 副研究员
通讯单位：四川大学化学工程学院
论文DOI：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03390
近日，四川大学胡常伟教授团队在国际知名期刊ACS Catalysis上发表了题为“A Theoretical and Experimental Study on the Mechanism for the Reductive Amination of 5-Hydroxymethylfurfural over a Ru1/NbOPO4 Single-Atom Catalyst”的研究论文。四川大学化学工程学院刘挺豪博士为论文第一作者。四川大学化学工程学院杨华清教授、许曙光副研究员为论文的通讯作者。该研究通过“理性设计—机理探讨—实验验证”的研究闭环，系统揭示了Ru1/NbOPO4单原子催化剂上HMF还原胺化合成HMFA的反应机制。研究首先理性设计了具备明确活性中心的Ru1/NbOPO4催化剂；进而通过DFT计算与分子动力学模拟深入探讨反应路径与选择性起源；最后通过实验成功捕获关键中间体并验证理论预测，实现HMFA选择性高达97%。该工作为生物质平台分子选择性胺化提供了机理基础与催化设计策略。
在现代化学合成中，C–N键的构建是合成含氮化合物的核心策略。5-羟甲基糠醛（HMF）中存在呋喃环、羟甲基和醛基等多个官能团，它们在与催化活性位点相互作用时彼此竞争，导致还原胺化反应过程异常复杂。目前普遍认为，HMF还原胺化生成HMFA的机理是：HMF中的醛基首先胺化形成亚胺中间体，随后该中间体被加氢生成HMFA。然而事实上，在还原胺化过程中，不仅醛基，HMF的羟甲基也可能发生胺化。我们好奇的是，在HMF的还原胺化反应中，究竟是醛基还是羟甲基会优先发生胺化？
有趣的是，钌基催化剂具有适中的加氢活性和良好的伯胺选择性，使其通常更适合将HMF转化为HMFA。然而，当前的催化体系仍面临两大挑战：(1) 负载在固体酸上的钌纳米粒子原子利用率低、成本高；(2) 在分子水平上，Ru活性位点对HMF还原胺化的催化机理仍不明确。此外，磷酸氧铌（NbOPO4）作为一种典型的固体路易斯酸，在活化碳水化合物中的C–O键方面表现出卓越能力。基于这些实验指导，我们理性地设计并合成了负载于NbOPO4上的单原子钌催化剂（Ru1/NbOPO4）。
其要点如下：
(1) Ru1/NbOPO4催化剂的模型与表征：XRD、XPS、AC-HAADF-STEM、XANES和EXAFS等表征技术证实了Ru1/NbOPO4单原子催化剂的成功合成。对于Ru1/NbOPO4(100)表面，仅存在一种含Ru活性位点，即[–(PO4)RuNbO(PO4)2–]。
(2) 最优反应路径：对于HMF还原胺化生成HMFA，最优路径涉及HMF中的−CH2OH基团首先胺化形成5-（氨甲基）呋喃-2-甲醛（AMFC），随后AMFC中的−CHO基团氢化生成HMFA。实验上，通过分步反应验证了AMFC是关键中间体，并且HMFA的选择性高达97%。
(3) 最优反应路径选择性的起源：Ru1/NbOPO4选择性地抑制了HMFA进一步胺化生成BAMF，同时促进了HMF还原胺化生成HMF。这源于在关键过渡态中，呋喃环上给电子的−CH2NH2基团的存在增加了相应特征碳原子上的电子密度，与吸电子的−CHO基团相比，相对地阻碍了−CH2−NH2键的形成。
示意图1 Ru1/NbOPO4催化HMF还原胺化的可能反应路径。
要点：以H2为氢源，NH3为氮源，HMF的还原胺化反应包括6种反应阶段。
图1. Ru1/NbOPO4催化剂的模型与表征。
要点：通过XRD、XPS、AC-HAADF-STEM、XANES、EXAFS等手段证实Ru以单原子形式存在，结构与理论模型一致。
图2. H2和NH3在Ru1/NbOPO4（100）界面吸附的分子动力学计算。
要点：MD模拟表明NH3优先吸附在Ru1/NbOPO4上。这可能源于L-碱性的NH3比中性的H2更容易与酸性载体NbOPO4表面相互作用。
图3. HMF胺化生成AMFC反应中的几何结构（a）和势能曲线（b）。
图4. AMFC加氢生成HMFA反应中的几何结构（a）和势能曲线（b）。
图5. HMF胺化生成IMFML反应中的几何结构（a）和势能曲线（b）。
图6. IMFML加氢生成HMFA反应中的几何结构（a）和势能曲线（b）。
要点：通过获得相应催化循环的势能曲线，基于能量跨度模型拟合了相应反应的速率常数。确定了HMF还原胺化生成HMFA的优势路径。在动力学上，GR-1-A（−CH2OH基团胺化）优于GR-1-I （−CHO基团胺化）。一旦IMFML生成，由于反应阶段S-4的动力学限制，它会迅速逆向生成反应物（HMF + NH3），然后这些反应物（HMF + NH3）将沿着GR-1-A的反应路径（S-1 + S-3）生成最终产物HMFA。这是因为，在动力学上，S-4中−CH=NH基团的加氢比S-2中−CHO基团的加氢更难。
图7. 1-TS4和7-TS3电子差分密度图。
要点：相比于供电子基团（−CH2NH2），在关键过渡态中的呋喃环上存在的吸电子基团（−CHO）降低了相应特征碳原子上的电子密度，促进了−CH2−NH2键的形成。这选择性地驱动了HMF还原胺化生成HMFA，同时抑制了HMFA进一步转化为BAMF。
图8. HMF转化为HMFA的典型实验验证。
要点：AMFC（而非DHMF）是形成HMFA的关键中间体。该反应路径可能是：HMF先经过胺化-脱水反应生成AMFC，随后AMFC加氢生成HMFA。其中，HMF的胺化-脱水步骤可能是速率控制步骤，而AMFC的加氢则是快速反应。有力地验证了计算结果。
本研究通过DFT计算与实验结合，揭示了Ru1/NbOPO4单原子催化剂上HMF选择性还原胺化制HMFA的机理。1）NH3优先于H2吸附，引导反应趋向胺化；2）甲醇溶剂作为氢转移桥梁，促进H2异裂，提升加氢效率；3）最优路径为羟甲基优先胺化生成关键中间体AMFC，再加氢醛基得HMFA，其中C–N键形成为速率控制速步骤，实验获得97%的高选择性；4）Ru1/NbOPO4选择性地抑制了HMFA进一步胺化生成BAMF，同时促进了HMF还原胺化生成HMFA。这源于在关键过渡态中，呋喃环上给电子的−CH2NH2基团的存在增加了相应特征碳原子上的电子密度，与吸电子的−CHO基团相比，相对地阻碍了−CH2−NH2键的形成。
本工作为在单原子催化剂上选择性还原胺化生物质衍生的羟甲基和羰基化合物提供了机理框架，也为后续开发高效胺化催化剂奠定了理论基础。
Liu, T.-H.; Xu, S.-G.; Fu, S.; Gou, J.-T.; Liao, S.-Q.; Min, H.-Y.; Zhang, M.-H.; Hu, C.-W.; Yang, H.-Q. A Theoretical and Experimental Study on the Mechanism for the Reductive Amination of 5‑Hydroxymethylfurfural over a Ru1/NbOPO4 Single-Atom Catalyst. ACS Catal. 2025, 15, 19786−19799.
胡常伟：教授，博士生导师，现任职于四川大学化学学院。中国化学会会士，英国皇家化学会会士，获国家教学名师奖，享受国务院特殊津贴。国际可持续发展化学合作中心（ISC3）学术委员会成员（德国），英国皇家学会绿色化学系列丛书顾问，Sustainable Chemistry for the Environment、Innovation Discovery副主编，教育部高等学校大学化学课程教学指导委员会副主任委员，四川省普通本科高等学校教学指导委员会化学类专业教学指导委员会主任委员。主持建成《绿色化学》国家精品课程、国家双语示范课程、国家资源共享课程和全英文MOOC。主持编写国家《大学化学》“十一 五"、“十二•五”规划教材，《大学化学》国家一流课程负责人。围绕资源有效利用和从源头上消除环境污染开展研究工作，近5年承担国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题等多项，发表SCI论文500余篇，EIsevier中国高被引学者。获国家发明专利40项，10余次获得省部级以上教学科研奖励及荣誉。
杨华清：教授，博士生导师，现任职于四川大学化学工程学院。主要从事物理化学/应用化学专业的教学科研工作。主持工科《物理化学》课程建设。在计算化学/催化化学领域，围绕生物质转化和小分子转化开展研究工作，主持国家自然科学基金、四川省应用基础研究、四川省自然科学基金等多项项目。在Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Adv., ACS Catal., J. Catal.等杂志上发表SCI收率论文八十余篇。获得省部级科技奖励两项。
许曙光：副研究员，现任职于四川大学化学工程学院。主要研究木质类生物质纤维素与半纤维素组分和甲壳素的高值化利用以及相关催化反应机理。以第一/通讯作者（含共同）在Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Appl. Catal. B,等杂志发表论文十余篇，主持国家自然科学基金青年基金、博士后特别资助等项目5项。
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