【有机】华南理工张珉团队JACS封面：双功能单原子钴催化硝基芳烃与甲醛还原偶联实现N,N’-二芳基乙二胺多样性合成- 大数跨境

【有机】华南理工张珉团队JACS封面：双功能单原子钴催化硝基芳烃与甲醛还原偶联实现N,N’-二芳基乙二胺多样性合成

X-MOL资讯

2023-07-26

导读：华南理工大学张珉课题组通过设计制备氮掺杂碳负载的双功能单原子钴催化剂以及对反应PH值的精确调控，发展了硝基芳烃与甲醛的定向还原偶联反应，解决了N,N’-二芳基乙二胺选择性与多样性合成这一难题。

乙二胺是一类极其重要的化合物，经常被用来开发生物医药活性分子、化学传感器、树脂固化剂、有机小分子催化剂、金属配体，该类物质亦是制备N-杂卡宾(NHC)的关键前体。至今，虽然已有众多方法可实现乙二胺的制备，但N,N’-二芳基乙二胺的选择性和多样性构建仍缺少行之有效的方法。通常，该类物质可通过苯胺和1,2-二卤乙烷的亲核取代(图1a1)、苯胺与草醛还原胺化(图1a2)、乙二胺与芳基卤的偶联反应(图1a3)来实现合成。然而，这些偶联策略因存在很难控制产物氮原子上的芳基个数、易发生脱羰和脱卤、底物二聚产生哌嗪副产物、催化剂难重复等问题，故有关N,N’-二芳基乙二胺的应用备受限制。

图1. N,N’-二芳基乙二胺的现有合成法及其构建新策略

作为一类重要的合成子，亚胺碳取代的硝酮与烯烃通过1,3-偶极环加成（1,3-DC）已被广泛地用于多类功能有机分子的构建。此外，一例硝酮与缺电子亚胺的正电子需求1,3-DC反应已见诸报道（图1b）。然而，亚胺碳不含取代基的硝酮因其稳定性差等原因，其化学转化尚未探究。针对上述问题和研究现状，华南理工大学张珉课题组在定向催化还原中利用中间体构建功能含氮分子的研究基础上 ((a) Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202303007. (b) J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 10967-10973. (c) Nat. Commun. 2021, 12, 4206. (d) Nat. Commun. 2022, 13, 2393. (e) ACS. Catal. 2022, 12, 10294. (f) Chem. Sci. 2021, 12, 13802. (g) ACS Catal. 2020, 10, 5243. (h) ACS Catal. 2021, 11, 9271. (i) ACS Catal. 2018, 8, 5869. (j) Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14232; (k) ACS. Catal. 2017, 7, 4780.)，结合硝基芳烃还原的级联特性，提出用甲醛捕获硝基芳烃还原中间体羟胺以产生亚胺碳不带取代基的硝酮，利用该类中间体和亚胺发生反电子需求的1,3-DC而实现N,N’-二芳基乙二胺的合成。然而，该设想需要解决三个关键问题：(1) 避免硝基芳烃发生还原N-甲基化；(2) 有效捕获羟胺，避免其他还原中间体的产生；(3) 阻止目标产物和甲醛进一步缩合生成咪唑啉副产物。基于上述思路和拟解决的关键问题，华南理工大学张珉课题组通过设计制备氮掺杂碳负载的双功能单原子钴催化剂以及对反应PH值的精确调控，发展了硝基芳烃与甲醛的定向还原偶联反应，解决了N,N’-二芳基乙二胺选择性与多样性合成这一难题。该研究成果发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。

图2. 催化剂Co_SA-N/NC的表征

本工作通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、球差电镜（AC-HAADF-STEM）等对Co_SA-N/NC催化剂进行了表征（图2a,b），结果表明：Co_SA-N/NC催化剂由原子级分散的钴物种组成，没有明显的钴纳米颗粒生成。同步辐射X射线吸收光谱（XAS）表明每个Co原子平均与四个N原子配位并锚定在碳载体上（图2c,d）。

图3. N,N'-二芳基二乙胺的选择性与多样性合成。

在对Co_SA-N/NC的结构和组成进行充分表征分析后，作者对催化剂应用于硝基芳烃与甲醛的还原偶联反应进行了考察。如图3所示，各种带有卤素、杂原子、不饱和基团的硝基芳烃均能顺利生成目标产物，未见有卤原子发生氢化脱卤、不饱和基团发生还原以及产物与甲醛缩合生成咪唑啉副产物等现象（图3a），这说明该合成法具有良好的底物适用范围和官能兼容性以及优异的化学选择性。此外，利用2-硝基吡啶衍生物可高效地制备含氮四齿配体（图3b）。利用两种不同硝基芳烃的交叉偶联，可实现不对称N,N'-二芳基二乙胺化合物的有效合成（图3c）。因此，该催化合成策略为各类N,N'-二芳基二乙胺的合成提供了一种有效的方法。

作者对反应后的Co_SA-N/C进行循环回收实验，经过10次循环后，反应效率没有发生明显的下降（图4a），这表明所用氮掺杂碳负载的单原子钴催化剂具有优异的稳定性。催化剂经酸刻蚀实验，其催化性能没有明显下降，而KSCN毒化实验可抑制催化剂的活性，这表明催化剂中的氮锚固的钴物种CoN₄为还原反应的活性位点。此外，N,N'-二芳基二乙胺产物经化学转化，可实现多类功能含氮分子的制备（图4b）。

图4. 催化剂稳定性测试及产物合成应用。

经充分的控制实验和中间体鉴定研究表明：硝酮和亚胺是反应进行的关键，同时排除苯胺和乙二醛中间体的可能性。Co_SA-N/NC催化剂、HCOOH和DBU对于乙二胺的形成都是必不可少的。模板反应中断实验验证：反应中间体为硝酮int-2、亚胺int-3、成环产物int-4和开环化合物int-5（图5）。基于这些事实，作者提出该反应产物形成的可能路径：Co_SA-N/NC催化分解甲酸生成具有还原性的吸附氢物种，该物种将硝基芳烃还原为羟胺int-1；被富电子氮掺杂碳吸附富集的甲醛及时捕获羟胺生成氮羟基亚胺盐int-2’；在碱性条件下，int-2’倾向于生成硝酮int-2，int-2与进一步还原的亚胺int-3进行反电子需求的1,3-偶极环加成反应得到中间体int-4；int-4经催化加氢开环后生成N-羟基乙二胺int-5；int-5经进一步催化还原脱氧产生目标产物N,N'-二芳基二乙胺。在该过程中，碱的存在扮演了关键角色，不仅可以促进硝酮的生成，而且可以抑制产物和甲醛缩合生成咪唑啉副产物。

图5. 可能的反应路径。

小结

华南理工大学张珉课题组通过设计制备双功能单原子钴催化剂，成功实现了大宗化学品硝基芳烃和甲醛的定向还原偶联反应，解决了对称和非对称N,N'-二芳基二乙胺的直接、选择性、多样化合成这一难题。该合成法具有操作简便、原子和步骤经济性高、底物和官能团兼容性好、催化剂具有优异的可重复使用性、一步操作即可形成多重C-C和C-N键等特点。机理研究表明，催化剂中氮锚固的钴单原子负责反应的还原过程、被富电子氮掺杂碳富集的甲醛及时捕获羟胺中间体，该协同过程可有效促进关键中间体硝酮的生成，硝酮与进一步还原的亚胺中间体经反电子需求的1,3-偶极环加成、氢化开环、氢化脱氧反应而实现产物的构建。

上述工作发表在美国化学会志J. Am. Chem. Soc.上，华南理工大学张珉教授为通讯作者，博士研究生孙嘉潞为本文第一作者。感谢华南理工大学江焕峰教授和法国雷恩第一大学Pierre. H. Dixneuf教授对本工作的建设性指导与支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：