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开启新领域！王爱琴/段学志等Nature子刊：单原子合金，生物质转化新平台！

邃瞳科学云

2023-10-13

导读：本文开发出一种在特定负载型双金属催化剂存在条件下，通过直接氨基化将重要生物基平台化学品糠醛转化为哌啶的新策略。

第一作者：Haifeng Qi, Yurou Li

通讯作者：王爱琴、Matthias Beller、段学志

通讯单位：中国科学院大连化学物理研究所、莱布尼茨催化研究所、华东理工大学

DOI:10.1038/s41467-023-42043-6

全文速览

利用生物质转化可持续性地制取高附加值N-杂环化合物不仅可以减少对化石资源的依赖，而且有望实现精细化学品和大宗化学品的高经济性与生态性合成。在本文中，作者设计出一种独特的Ru₁Co_NP/HAP表面单原子合金(SSAA)催化剂，其可提供一种将生物基平台化学品糠醛高效转化为N-杂环哌啶的新途径。在NH₃和H₂存在的温和反应条件下，N-杂环哌啶产物的产率高达93%。动力学研究表明，哌啶的生成通过一系列反应步骤进行。在该级联过程中，糠醛首先氨基化形成糠胺，随后通过加氢生成四氢糠胺(THFAM)，再经历环重排后生成哌啶。密度泛函理论计算表明，Ru₁Co_NPSSAA结构可有效促进THFAM的直接开环，生成5-氨基-1-戊醇并快速转化为哌啶。通过合成实际药物、烷基化哌啶以及吡啶，进一步展现出该催化策略的巨大价值。

背景介绍

作为自然界中唯一的可再生有机碳资源，生物质将成为循环化工的关键原料，并为制取高附加值化学品提供基础。在过去的十年里，通过负载型金属催化剂选择性裂解C-C和C-O键，该领域在将木质纤维素转化为含氧化合物方面已取得突破性进展。与含氧化学品相比，含氮化合物通常具有更高的价值，并广泛应用于制药及农用化学品的合成。事实上，在销量最高的200种药物中，超过75%含有胺/氮组分。因此，越来越多的研究聚焦于将生物质可持续地转化为含氮化学品。到目前为止，通过生物质衍生醛/酮/醇的还原氨基化，已成功合成出各种脂肪胺化合物。其中，糠醛是最重要的生物质衍生构建模块之一，不仅价格低廉(1.0–1.2 € kg⁻¹)，而且可以从生物质中规模化制备(每年>200 kT)。通常，糠醛氨基化过程聚焦于H₂存在条件下Ru-, Rh-, Pd-, Co-或Ni-基催化剂上糠醛中醛基与有机胺或NH₃的反应，导致相应伯胺和仲胺的生成(图1a)。与上述胺类产物相比，由于大多数生物质衍生平台分子中缺乏N-杂环，因此N-杂环化合物(如哌啶、吡啶、吡咯等)很少通过生物质转化合成。除吡咯可通过由生物质衍生的呋喃合成外，其它N-杂环化合物几乎没有被研究过。例如，Cao等利用H-Y沸石催化剂，通过生物质衍生2,5-二甲基呋喃和苯胺类化合物的直接缩合生成N-取代吡咯。随后，Yan等采用Pd@S-1和H-beta沸石催化剂体系，通过级联脱碳-氨基化反应开发出一种生成吡咯的新途径(图1a)。当吡咯的选择性达到75%时，反应于460 °C条件下进行，脱碳步骤无疑通过丢弃糠醛的醛基而降低原子经济性。显然，目前构建生物基N-杂环化合物的策略主要依赖于采用结构相似的生物质衍生O-杂环化合物(呋喃衍生物)，从而限制着合成其它N-杂环化合物的可能性。

哌啶是数千种药物活性化合物(如苯海索、丁哌卡因、曲昔匹特和芬太尼，图1b)中常见的分子片段。受该类化合物重要性的启发，作者设想可以将糠醛(FAL)和氨直接转化为哌啶。如图1c所示，该级联反应起始于FAL的还原氨基化，随后为加氢环裂解、脱氢、分子内还原氨基化，最后加氢生成哌啶。显然，如此高度复杂的反应网络很难实现良好的选择性，其中还原氨基化条件下呋喃环的选择性C-O裂解是最为关键的反应步骤。因此，成功实现该新型催化策略的关键在于多功能催化剂的精细设计。

图文解析

图1. (a)此前报道的工作中以糠醛为原料合成呋喃胺类化合物及吡咯。(b)哌啶基实际药物示例。(c)该研究提出将糠醛转化为哌啶的反应网络。

表1. 不同负载型Ru_xCo_y材料的糠醛还原氨基化反应性能。

图2. 动力学分析。(a) Ru₁Co₂₀/HAP和(b) Ru₁₀Co₁₀/HAP催化剂的糠醛还原氨基化性能。(c)所提出的反应路径。

图3. (a) Ru₁Co₂₀/HAP和(b) Co₁₀Ru₁₀/HAP的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图以及Co和Ru的元素映射成像。Ru₁Co₂₀/HAP, Ru₁Co₄₀/HAP, Ru₁Co₈₀/HAP和Ru₁₀Co₁₀/HAP在(c) k-空间和(d)r-空间的k²-加权傅立叶变换扩展X射线吸收精细结构，以及(e)小波变换分析。

图4. 密度泛函理论计算。Ru₁/Co (001)表面THFAM转化为哌啶的机理研究。A₁→A₂：Ru₁/Co表面THFAM中-NH₂基团附近C-O键的直接裂解；A₂→A₃：H₂解离生成H原子负载于Ru₁/Co表面；A₃→A₄：活化的H结合C-O键的O原子；A₄→A₆：加氢生成5-氨基-1-戊醇中间体。绿色代表Ru，紫色代表Co，蓝色代表N，红色代表O，灰色代表C，白色/黄色代表H。

图5. (a)以糠醛为原料，可再生两步法合成吡啶。(b)以糠醛为原料合成苯海索药物。(c)以不同的5-取代糠醛作为底物，通过相同的催化体系制备2-取代哌啶化合物。

总结与展望

总的来说，本文开发出一种在特定负载型双金属催化剂存在条件下，通过直接氨基化将重要生物基平台化学品糠醛转化为哌啶的新策略。在相对温和的反应条件下，优化Ru₁Co_NP/HAP催化体系可实现高达93%的哌啶产率。尽管反应网络高度复杂，但该级联过程的各个步骤均可实现优异的化学选择性和区域选择性，并提供明确的机制。此外，降低载体上贵金属Ru的浓度还可增加该催化剂体系的活性。该行为可通过表面单原子合金结构得以解释，仅在HAP载体上的高Co/Ru比(如Co/Ru≥10)条件下才能实现。而且，Ru₁Co_NPSSAA催化剂如此优异的活性也可拓展至工业上重要的吡啶和取代哌啶合成领域。正如实际药物苯海索的制备所强调的那样，该研究提出的策略可以从可再生生物质中合成哌啶基药物和农用化学品。

文献来源

Haifeng Qi, Yurou Li, Zhitong Zhou, Yueqiang Cao, Fei Liu, Weixiang Guan, Leilei Zhang, Xiaoyan Liu, Lin Li, Yang Su, Kathrin Junge, Xuezhi Duan, Matthias Beller, Aiqin Wang, Tao Zhang. Synthesis of piperidines and pyridine from furfural over a surface single-atom alloy Ru₁Co_NPcatalyst. Nat. Commun. 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-42043-6.

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42043-6

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