氮掺杂碳材料（NCs）是一类极具吸引力的非金属纳米材料，在氧还原、析氢、燃料电池、环境污染物降解、二氧化碳还原等领域具有广泛的应用。将NCs应用于催化有机合成反应不仅可以节约金属催化剂资源，而且可以从源头上消除金属对环境和产物的污染。然而，目前仅有少数几例NCs用于催化简单的已知有机反应，而利用其开发复杂、选择性和挑战性的新反应仍是一项有待探索的新兴领域。
近日，张珉教授课题组（华南理工大学）通过引入廉价易得具有良好导电性的Vulcan XC72R为二级碳源，与ZIF-8以不同质量比混合制备一系列氮掺杂石墨碳材料（N-GC）。研究发现，当ZIF-8与Vulcan XC72R的质量比为4:3时，制备的催化剂N-GC(4/3)在氧气氛围下，与六氟异丙醇（HFIP）协同作用，通过单电子氧化介导策略可高效实现四氢喹喔啉衍生物与2-萘酚衍生物的氧化串联C-H键双官能化反应，于室温下一步构建结构新颖的共轭体系延伸的N,O-杂环化合物（图1）。该催化剂多次回收重复使用仍可保持原有形貌和催化活性，表明其具有优良的稳定性和重复使用性。相关成果发表于Cell Reports Physical Science。
通常，氮掺杂碳材料催化传统氧化反应时，需要较高的氮含量和反应温度。然而，本文通过对催化剂形貌、结构、表面组成等方面进行表征，发现催化剂N-GC(4/3)是具有多级孔结构的微量氮掺杂的石墨碳材料（仅1.29 at. %的总氮含量），这种孔结构有利于活性位点的暴露和传质过程，进而有利于反应的顺利进行。此外，作者设计多个控制实验并结合XPS和EPR表征，确定反应中间体、自由基启动位点及石墨氮是催化活性位点等关键信息，从而得出如下反应机理，即由HFIP稳定催化剂与氧气原位形成的自由基物种，实现底物的适当氧化，以匹配偶联过程，得到目标产物（图2）。
本文发展了一种多级孔结构的微量氮掺杂的N-GC(4/3)与HFIP协同催化体系，首次实现了室温下2-萘酚与四氢喹喔啉衍生物的氧化环化反应。该催化体系具有好的底物和官能团适用性、极佳的原子和步骤经济性、使用绿色氧化剂以及无需额外输入能量等优势，为进一步设计和开发氮掺杂碳材料在复杂和具有挑战性的有机反应中的应用提供了新思路和新方法。华南理工大学博士后赵赫为本文第一作者，张珉教授为通讯作者。
Selective construction of fused heterocycles by mild oxidative C-H functionalization using non-metallic catalysis
He Zhao, Jialu Sun, Rongqing Guan, Qinghao Song, Huanfeng Jiang, Min Zhang
Cell Rep. Phys. Sci., 2021, 2, 100383, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100383
https://www.x-mol.com/groups/minzhang_scut
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
X-MOL资讯