电子科大董帆/李解元Nature Communications: 自由基介导C-N偶联

邃瞳科学云

2025-04-17

导读：本文报道了一种光催化自由基加成策略，通过调控稳定中间体（乙醛，CH3CHO）和瞬态中间体（氨基自由基，•NH2）的定向偶联，实现了高效、高选择性的乙酰胺合成。

第一作者：李欣

通讯作者：董帆，李解元

通讯单位：电子科技大学

论文DOI：10.1038/s41467-025-58840-0

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本文报道了一种光催化自由基加成策略，通过调控稳定中间体（乙醛，CH₃CHO）和瞬态中间体（氨基自由基，^•NH₂）的定向偶联，实现了高效、高选择性的乙酰胺合成。利用充足乙醇积累稳定的CH₃CHO，同时通过限制氨浓度控制^•NH₂的生成与快速加成，结合温和的光催化氧化能力，避免中间体过度氧化。该体系在常温下实现了105.61 mmol·g_cat^-1·h^-1的乙酰胺合成速率、99.17%的选择性，并通过300小时稳定运行获得1.82克级产量，为光催化驱动的合成工业提供了新路径。

背景介绍

酰胺是医药、化工等领域的重要化学品，传统工业合成依赖高温高压条件，能耗高且碳排放量大。电化学方法虽尝试在温和条件下通过C-N偶联合成酰胺，但存在反应速率低、选择性差的问题——低电压下反应物活化不足，高电压下易发生过度还原或氧化，难以精准控制中间体。相比之下，光催化具有温和氧化还原能力，有望实现更高效、选择性的酰胺合成。关键在于精准调控羰基（-C=O）和氨基（-NH₂）等中间态物种的生成与偶联。单独使用稳定或瞬态中间体都面临反应效率或副反应的问题，而稳定-瞬态中间体协同偶联则可兼顾反应速率与选择性，成为理想策略。

本文亮点

(1) 中间体定向偶联策略：提出稳定-瞬态中间体协同机制，通过充足乙醇生成稳定的CH₃CHO，限制氨浓度促使瞬态^•NH₂快速加成，平衡反应速率与选择性。

(2) 高效与稳定性突破：乙酰胺合成速率达百摩尔级，选择性超99%，且催化剂连续运行300小时保持性能，实现克级产量，远超多数催化体系。

(3) 机理研究可视化：同位素标记结合原位EPR、HR-MS、NMR等技术，直接观测到^•NH₂与CH₃CHO的偶联过程，揭示光生载流子与氧气活化对中间体生成的调控机制。

图文解析

图 1：反应机理示意图

如图所示，通过优化反应参数（NH₃浓度、CH₃CH₂OH比例、O₂比例、催化剂用量等），实现了在常温条件下，CH₃CONH₂合成速率达105.61 mmol·g_cat^-1·h^-1。该共氧化反应由光生h⁺和活性氧物种驱动，同时生成少量H₂。选择性评估显示，有限NH₃供应下，NH₃转化率近100%，N选择性达99.17%±0.39%，C选择性为95.60%±0.22%。系统可稳定运行300 h，累计产物达1.82 g，催化剂无失活。与其他已报道的光催化C-N偶联反应相比，该共氧化路线通过优化实现了更高的效率，在目标产物（乙酰胺）的合成速率和选择性等关键指标上均表现优异。

图 2：乙酰胺光合成效率评估

为揭示CH₃CH₂OH与NH₃共氧化过程中的关键偶联步骤，研究采用原位ATR-FTIR技术，分别考察乙醇氧化（EOR）、氨氧化（AOR）及其协同氧化行为。结果表明，EOR和AOR单独反应时均易生成副产物（如COO⁻、NO₃⁻），不利于C-N中间体的形成。而在协同氧化中，C源中间体C=O与N源中间体-NH₂协同作用，成功生成C-N酰胺键。信号归一化分析显示，协同体系中C=O和-NH₂信号显著增强，而副产物生成明显减少。此外，研究发现C=O可持续积累，而-NH₂在NH₃耗尽后迅速下降，验证-NH₂为高活性的瞬态N中间体。

图 3：原位ATR-FTIR光谱

进一步利用原位ATR-FTIR探讨关键中间体的生成与偶联。通过调控O₂比例发现，适量O₂（75%）可显著提升CH₃CONH₂产率（达209.77 μmol·h^-1），而O₂过量（100%）则因^•O₂⁻过氧化副反应导致产率下降，说明O₂活化需精准控制。随后，采用D标记原位EPR技术，在不同O₂比例下追踪乙醇氧化路径。结果表明，在无氧条件下，EOR主要由光生空穴驱动，生成CD₃^•CDOD；而在75% O₂时，检测到关键中间体CD₃CD₂O^•，其由CD₃^•CDOD经¹O₂作用转化而来。¹O₂是实现温和氧化的关键。相反，在100% O₂下，^•O₂⁻积累且¹O₂消失，导致副反应增强、中间体转化效率下降。因此，适度O₂激活对实现高选择性C-N偶联至关重要。

图 4：氧气调节生成偶联中间体的机制

在75%的O₂条件下，可控氧化避免了CD₃CD₂O^•的过氧化，稳定生成含C=O的乙醛中间体。通过将CH₃CH₂OH替换为CH₃CHO进行对照实验，发现两者合成CH₃CONH₂的产率几乎一致，确认CH₃CHO为关键C中间体。同时，GC-MS与¹H NMR检测也验证了CH₃CH₂OH → CH₃CHO → CH₃CONH₂的路径。针对N源，¹⁵N/¹⁴N标记EPR实验发现，在无氧条件下NH₃可被光生空穴（h⁺）选择性氧化为^•NH₂，自由基寿命长、活性高，是短寿命的最佳N中间体。进一步通过TEMPO实验与HR-MS分析，证实NH₃→ ^•NH₂→ CH₃CONH₂为真实反应路径。整体反应机制为：过量CH₃CH₂OH生成稳定的CH₃CHO，配合限量NH₃生成^•NH₂自由基，二者快速偶联形成酰胺，避免副反应。定量氧气调控与光生载流子协同作用是实现高选择性、高产率CH₃CONH₂合成的关键。

图 5：C、N中间体转化及偶联机制

总结与展望

本文构建了一种高效、稳定的太阳能驱动光催化体系，实现了乙醇与氨气的温和共氧化，成功合成酰胺类产物CH₃CONH₂。通过精准调控氧气活化和光生电子-空穴对，产率达百摩尔级，选择性高达99%以上。机制研究表明，稳定中间体CH₃CHO与瞬态^•NH₂自由基的高效耦合是实现高活性和高选择性的关键。本研究具有良好的工业应用前景，并对推动绿色化学合成有着重要意义。

文献信息

Photocatalytic C-N coupling from stable and transient intermediates for gram-scale acetamide synthesis. Nat Commun 16, 3590 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58840-0

课题组介绍

董帆，电子科技大学基础与前沿研究院，二级教授/博导/学术委员会主任，碳中和与环境能源新技术研究中心主任。研究领域为：大气污染控制与资源化、环境与能源催化和气体传感器件。国家杰出青年科学基金获得者(2022年)，国家万人计划青年拔尖人才(2017年)，国家优秀青年科学基金获得者(2018年)，国务院特殊津贴专家（2019年）；连续6年入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单（2018-2023年）；获得四川省杰出青年科学技术创新奖（2023年），中国环境科学学会青年科学家金奖（2020年），省部级自然科学奖一等奖2项和二等奖5项。主持国家自然科学基金项目8项、国家重点研发计划课题2项以及四川省创新群体等省部级重大/重点科研项目等20项。以通讯作者在Chem、PNAS、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Environ. Sci. Technol.、Sci. Bull.、Research、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、ACS Catal.、ACS Sens.、Mater. Today等国内外期刊发表学术论文200余篇。所有论文被SCI引用4.2万余次，50篇余论文入选ESI高被引/热点论文，H指数为110。担任美国化学会ACS ES&T Engineering期刊Topic Editor。

李解元，教授/博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。主要从事大气污染净化及资源化、自由基介导环境与能源催化研究。主要包括：1）含氮污染物净化及资源化；2）多污染物氧化-还原协同转化；3）自由基精准介导污染物增值资源化。主持国家级科研项目4项，包括国家自然科学基金优青、面上、青年基金各1项，入选第九届中国科协青年人才托举工程。以第一/通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Environ. Sci. Technol., ACS Catal.等期刊发表论文30余篇，15篇入选ESI高被引论文，论文总被引9000余次，H因子为51。