▲第一作者：亓龙副研究员，陈静雯博士 ；共同通讯作者： 亓龙副研究员，张治国教授，黄文裕副教授
通讯单位： 埃姆斯国家实验室、爱荷华州立大学、浙江大学 论文DOI：10.1021/acscatal.0c00899非均相催化复杂串联反应机理的研究对于深入认识反应过程、指导高活性和高选择性催化剂的理性设计至关重要。本工作采用原位魔角旋转核磁共振（operando MAS-NMR）技术，对Pd/UiO-66催化缩合-氢化-环合多步串联反应过程进行原位表征，捕获了2-苯基-3,4-二氢喹啉等多种关键活泼中间体，揭示了反应的催化机理与动力学，提出了助催化剂调控关键中间体转化途径的新策略，实现了不同目标产物的选择性切换。多相催化串联反应是能源和资源转化利用中的重要过程，在提高反应原子经济性、简化分离纯化步骤中的表现尤为抢眼（Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 126-157）。然而多相催化串联反应涉及多种中间体或过渡态，反应网络复杂，产物选择性调控困难，亟需发展固-液-气多相催化原位表征技术，实现催化材料的理性设计。探测反应网络不仅需要识别各个反应物种、解读反应路径，同时要深入认识反应的可逆性及速率问题。然而，多相催化中同时存在固体催化剂、反应溶液及气体，给非均相催化串联反应复杂网络的深入研究带来巨大的挑战性，对低浓度、不稳定的关键中间体离线检测尤具挑战。先进的谱学表征手段，如原位魔角旋转核磁共振（MAS-NMR）在研究高温、高压多相催化体系、获取分子层面反应信息方面展现了独到之处（ACS Catal. 2017, 7, 3489-3500; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 17370-17381）。通过原位MAS-NMR监测定量反应中间体、绘制多相反应网络，是指导高效高选择性催化体系构建的关键。本工作以负载Pd纳米粒的金属-有机框架（UiO-66）为多功能催化材料，选取邻硝基苯甲醛（NBA）与苯乙酮（ACP）之间的串联反应为模型反应来验证研究思路的可行性。对该串联反应途径的有效控制，不仅有望为生物活性特效分子骨架喹啉（PQ）或四氢喹啉（PTHQ）的选择性制备提供便捷途径（图1），而且反应过程中多种活性基团（-NO2, C=C, C=O, C=N及苯环）共存，因此该反应体系对于检验原位MAS-NMR在多相催化机理研究中的可靠性和普适性尤为适用。▲图1. Pd/UiO-66催化动力学控制选择性合成PQ或PTHQ
▲图2. 化合物4还原制备PTHQ的四条可能反应路径
要点：化合物4还原可方便地制备PQ或PTHQ，但是由于其存在多个可被还原的基团，使得体系存在四条可能的主要反应途径。为了高选择性制备PQ或PTHQ，需要深入揭示催化网络。▲图3. 化合物4氢化反应13C MAS-NMR光谱阵列（27.6 bar氢气）
要点：利用原位MAS NMR研究气液固共存的多相催化体系反应过程，发现了六种中间产物，解析了各中间体及产物结构，以及相关物种的反应动力学信息，突破了对空气和温度敏感关键活性中间体2-苯基-3,4-二氢喹啉（12）难以检测的瓶颈。要点：根据原位MAS-NMR谱图结果，获得了反应体系内中间体及产物浓度变化信息，确立了反应级数，结合图3明确了12为关键中间体。▲图5. Pd/UiO-66催化化合物4还原反应网络
要点：根据原位MAS-NMR的结果（图3）及动力学信息（图4），确立了还原环化反应的复杂反应网络，揭示了该多相催化反应机理。▲图6. 助催化剂存在下化合物4的还原-环化反应途径
要点：在对机理深入认识及关键活性中间体成功监测的基础上，通过添加助催化剂调控材料的催化性能，实现了产物PQ及PTHQ的精准可控制备。要点：活性中间体12的发现，启发我们可以通过调控催化剂组成，控制12进一步加氢或脱氢反应途径。通过添加磷酸助催化剂（图6），可以扭转反应产物选择性，让PQ成为反应主产物。且对比试验（entries 5 and 6）表明，反应条件下PTHQ不会脱氢转化为PQ，验证了助催化剂作用是通过改变活性中间体12的反应途径来调节产物选择性的设想。实验结果进一步说明了分子水平上的反应机理研究在催化剂理性设计方面的重要性。制备了MOF负载Pd NPs（Pd/UiO-66）的双功能催化材料，实现了从简单原料出发多步串联反应合成复杂生物活性分子骨架的高效转化。利用原位MAS-NMR技术对高压反应条件下多相催化体系进行深入研究，原位跟踪了多种中间体结构及其准确的浓度变化情况，绘制了复杂催化反应网络，并通过调控催化剂组成，实现了PTHQ和PQ产物的选择性切换。通过催化机理反馈指导催化体系设计的研究思路，不仅适用于喹啉类化合物的制备，同时也可以用于其它具有复杂反应网络的串联反应体系的研究。多相催化机理研究方法的突破，在分子层面绘制复杂反应网络，有助于理性设计新的催化材料，实现复杂分子结构的按需精准制备。黄文裕课题组简介：爱荷华州立大学化学系副教授，2000年南京大学化学本科，2002年南京大学硕士，2007年佐治亚理工博士（导师Mostafa A. El-Sayed），2011年加州大学伯克利分校博士后（导师Gabor A. Somorjai, Peidong Yang），2011年至今就职于爱荷华州立大学化学系。课题组以合成新型纳米异相催化剂及其异相催化反应为主体研究方向，研究金属，氧化物，碳材料，金属有机骨架（MOF），和相应复合纳米材料在异相加氢，氧化，偶联等反应中的应用和机理研究。该课题组在Nat. Catal.，Chem, Nat. Commun., Angew. Chem.-Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.，ACS Catal.发表多篇工作。课题组主页链接：http://whuang.public.iastate.edu/homepage.html亓龙课题组简介：美国能源部埃姆斯国家实验室副研究员，2009年南开大学化学本科，2013年香港城市大学博士毕业（导师István T. Horváth），2017年底在加州大学圣芭芭拉分校完成博士后研究（导师Susannah L. Scott），2018年至今在现单位就职。课题组主要研发新催化剂实现强化学键的催化断裂，以深入研究多相催化反应机理与动力学见长，探索液体与气体在多孔材料介面上的物理化学吸附与反应，开发高温高压原位魔角旋转核磁共振和在线超高效色谱学在催化中的应用。该课题组在J. Am. Chem. Soc.，ACS Catal.发表多篇工作。课题组主页链接：https://www.ameslab.gov/directory/long-qi张治国课题组简介：浙江大学化学工程与生物工程学院教授、博士生导师，现任浙江大学制药工程研究所所长。2000和2003年分别获中国药科大学本科、硕士学位，2008年获德国吉森大学有机化学博士学位（导师Peter R. Schreiner）。2012年至今就职于浙江大学化工学院。主要从事医药精细化学品的绿色催化和分离新工艺研究，以开发新型的催化剂和催化模式为科研主线，先后主持了国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金等多项课题的科研工作。在国际期刊发表SCI论文80余篇，被包括Science、Nature和JACS等研究论文正面他引1000余次，申请专利30多项。荣获国家技术发明奖二等奖（2018）、侯德榜化工科学技术青年奖（2017）、浙江省科技进步一等奖（2014）等。课题组主页链接：https://person.zju.edu.cn/zhiguo_zhang#647442
