on style="line-height: 1.75em; box-sizing: border-box;">▲通讯作者(单位):刘岳峰(DICP), Rajenahally V. Jagadeesh (LIKAT), Matthias Beller (LIKAT)
LIKAT: 莱布尼茨催化研究所，罗斯托克（Rostock），德国DICP: 中国科学院大连化学物理研究所，大连，中国https://www.cell.com/chem-catalysis/fulltext/S2667-1093(21)00379-1基于其特定的性质和优势，SAC(单原子催化剂) 作为催化材料继续引起人们的极大兴趣，以更普遍、高效和实用的方式进行有机合成。 此外，此类材料的开发和适用于可再生资源的有效转化，尤其是基于生物质的原料，用于生产化学品、燃料和能源具有极大的实用价值。乙酰丙酸(LA) 可以简单地通过纤维素的酸催化制备。因此，在过去的十年里，它被认为是生物质的顶级化学组成部分之一。 事实上，LA 可以用作合成许多增值化学品和燃料的关键前体和中间体，应用于直接氢化或氧化反应（Figure 1）。▲Figure 1. Synthesis and applications of levulinic acid
LA 的还原胺化和相关分子内酰胺化代表了一种直接有效的生产吡咯烷酮的方法，吡咯烷酮代表了一类重要的五元杂环，可用作表面活性剂、螯合剂以及药物和农用化学品的前体和中间体。此外，吡咯烷酮结构还可用于合成溶剂 (NMP) 和药物（Figure 1）。目前，吡咯烷酮主要通过 γ-丁内酯与胺类反应或 1,4-丁二醇与胺类在苛刻反应条件下（>200 °C）的脱氢-胺化反应生产。 与这些现有的工业工艺相比，通过使用分子氢的催化多米诺还原胺化 - 酰胺化是一种有吸引力且更可持续的方法。 通常，这种转化涉及 3 个步骤：(i) LA 和胺的酮基的缩合形成亚胺，(ii) 将亚胺催化氢化成相应的胺，和 (iii) 分子内酰胺化得到 吡咯烷酮。过去主要开发了Pt/P-TiO2、Pt/c-C、Ir/PVP、Pd/ZrO2等贵金属基纳米催化剂用于LA和胺类制备吡咯烷酮。考虑到单原子催化剂的特殊性质，我们认为基于 3d 非贵金属的 SAC 应该在更温和的条件下工作，并允许采用通用方案有效地生产各种功能化杂环化合物。在此，我们报告了原子分散的 Co 单原子催化剂的合成，该催化剂能够以最全面的方式实现乙酰丙酸和其他keto acid的有效多米诺还原胺化 - 酰胺化（亮点1: 第一个用于LA及keto acid的还原胺化制备杂环化合物的Co-SAC催化剂）。除胺外，硝基芳烃和腈也可用于该工艺（亮点2: 底物适用范围广，能够合成药物分子，也可用于药物分子改性），节省了生产苯胺的步骤。▲Figure 4. Electron microscope analysis of 0.75Co-phen@C-800-HCl catalyst
(A and B) HAADF-STEM image (A), and the corresponding EDS elemental mapping (B).(C) Atomic-resolution HAADF-STEM image and the magnified HAADF-STEM image reveals highly dispersed Co atoms (circles in D) on N-doped carbon.从TEM图可以看出（Figure 4），钴物种以较小尺寸分散在材料表面。从mapping图可以看到N元素，表明含氮配体成功用于合成了N掺杂的催化剂。从N 1s XPS的分峰拟合结果可以看到吡啶氮（主要氮存在形式），吡咯氮，石墨氮和氮氧化物。 从Co 2p XP 可以看出钴的存在形式依赖于热解温度（SI），然而热解温度可以明显影响各氮物种的存在形式，而这些变化的氮物种和钴配位后，可以形成多种性质的Co-Nx，可能是这些多样的Co-Nx使得不同温度下热解的材料表现出了不同的催化性能（正文，Table 1）。800℃热解的材料表现出最佳的催化性能。接下来，我们又通过XAS（同步辐射）佐证了钴含量较高的催化剂（3wt%）同时含有钴单原子和纳米团簇（观测到Co-Co键）。低含量钴的催化剂（0.75wt%）也存在钴纳米团簇（观测到Co-Co键）。盐酸处理后，未能够观察到Co-Co键，表明盐酸处理可以除去纳米团簇，保留钴单原子。（XRD,ICP,XPS---LIKAT）（同步辐射---DICP）▲Figure 5. Structure characterization of N-doped carbon supported Co-SACs(A and B) High-resolution Co 2p and N 1s XPS spectra of 0.75Co-phen@C-800-HCl.(C) Normalized X-ray absorption near-edge fine structure (XANES) spectra at the Co K-edge of Cofoil, Co3O4, 0.75Co-phen@C-800, 0.75Co-phen@C-800-HCl, and 3Co-phen@C-800.(D) Fourier transformation of k2-weighted EXAFS spectra at the K-edge of Co sample, Co foil, andCo3O4 samples.(E) Wavelet transform (WT) of 0.75Co-phen@C-800-HCl.(F) Fitting results of 0.75Co-phen@C-800-HCl.
本文开发的单原子催化剂能够以LA 和类似结构的 keto acid 与胺，硝基和腈反应生成相应的杂环化合物 （pyrrolidones lactams, isoindolinones）。酮，酯，酰胺，硫杂环，羟基，巯基等官能团均可以被本催化剂兼容。以氨气做为氮源，还可以得到相应的杂环产物。首先，我们选了一些结构多样的芳香胺来验证催化方法的适用性。各种芳香胺（卤素，酮，酯，酰胺，硫杂环，羟基，-CF3）均可适用于催化材料。同样，对于脂肪胺也表现出较好的适用性。本催化方法对硫杂环，羟基，巯基等均可兼容。在二级胺的存在下，我们的催化材料还可选择性的促进LA和初级胺反应。该方法也被成功用于药物分子改性（product 42），表现出很好的实用价值。相对于硝基和腈，胺的稳定性不是很好。而且，胺通常由硝基和腈还原制备。因此，如果能够一步从硝基和腈来制备相应的杂环，将节省生产成本。于是，我们做了一些相关杂环化合物的合成。可以看出硝基和腈在我们的催化体系下可平和的转化成了相应的目标产物。(keto acid和胺反应，包括药物分子修饰---LIKAT)接下来，我们设想是否此催化系统可兼容keto acid。我们继续尝试了一些keto acid， 并且可以得到较好的目标产物收率。此催化系统也成功用于了药物分子改性（product 70-73）（合成isoindolinones，包括药物分子---LIKAT）Isoindolinones 的应用十分广泛，比如生物活性分子，药物碎片等。接下来，就相关底物我们合成出了结构多样的isoindolinones。药物分子改性也可成功实现（product 98-99）。用此Co-SAC催化剂成功合成出了药物分子Indoprofen。本工作开发的单原子催化剂可以很好的将生物质平台分子（LA）和相应的keto acid转化成有用的杂环化合物（合成药物分子，药物分子修饰）。除去胺之外，氨气，硝基，腈均可作为氮源得到相应的目标产物具有较好的循环性和稳定性，尝试解释了构效关系。总的来说，我们相信这项工作为单原子催化剂的开发及其在有机合成中的应用提供了其他机会，特别是为生物质衍生原料的未来增值提供了机会。JG, RVJ and MB planned and developed the project. JG and RVJ designed the experiments. JG and RM prepared catalysts and performed catalytic experiments. RM carried out reproducibility of experiments. LF and YL performed the HAADF-STEM measurements. BJS conducted the XAS measurements. AMA participated in discussions and development of this project. JG, RVJ and MB wrote the paper. MB and RVJ supervised the project. JG , RM and LF contributed equally to this work.https://www.cell.com/chem-catalysis/fulltext/S2667-1093(21)00379-1
