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第一作者：Huanhuan Jia
通讯作者：张珉
通讯单位：华南理工大学
论文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.4c09827
摘要
本研究成功开发了一种由硅藻土限域的铱单原子物种和硼掺杂ZrO2载体组成的多功能异质单原子铱催化剂（Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2），并将其应用于N-杂芳烃和1,2-二羰基化合物的还原偶联反应，以直接、多样化的方式构建N-未取代杂环γ-氨基酸、酯和酮。该催化剂具有底物和官能团耐受性好、步骤和原子经济性高、催化剂可重复使用性优异以及产品后转化多样化等特点，突出了所开发化学方法的实用性。机理研究表明，活性铱位点和酸性载体之间的协同作用有利于更难还原的N-杂芳烃的选择性还原，并产生所需的烯胺中间体。本工作的概念将为通过合理催化剂设计进一步发展有用的串联反应开辟大门。
研究成果
华南理工大学张珉教授在《Journal of the American Chemical Society》上发表了题为“Reductive Coupling of N-Heteroarenes and 1,2-Dicarbonyls for Direct Access to γ-Amino Acids, Esters, and Ketones Using a Heterogeneous Single-Atom Iridium Catalyst”的论文，研究团队通过开发Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2催化剂，实现了N-杂芳烃和1,2-二羰基化合物的还原偶联反应，以高选择性合成N-未取代杂环γ-氨基酸、酯和酮。这一成果不仅提供了一种直接合成这类化合物的新方法，而且展示了催化剂在底物和官能团耐受性、步骤和原子经济性、催化剂可重复使用性以及产品后转化方面的卓越性能。
论文亮点
1.新型催化剂设计：开发了一种新型的异质单原子铱催化剂，通过硅藻土限域和硼掺杂ZrO2载体的协同效应，实现了对N-杂芳烃的选择性还原。
2.高选择性合成：该催化剂能够高选择性地合成N-未取代杂环γ-氨基酸、酯和酮，这些化合物在有机合成、生物医学化学和材料科学中具有重要应用。
3.环境友好：反应条件温和，使用水和乙醇作为反应介质，符合绿色化学的要求。
4.催化剂可重复使用：Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2催化剂在多次循环使用后仍保持高活性，显示出优异的稳定性和可重复使用性。
图文导读
Scheme 1. (a−d) 选定的功能性杂环γ-氨基酸衍生物和设计的合成策略。
图1. 评估不同催化剂对模型反应的活性。
图2 Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2催化剂的结构特征
Scheme 2. N-杂芳烃的底物范围。
Scheme 3. 1,2-二羰基化合物的底物范围。
图3 反应方法探究
图4 (A) 产品衍生化。(B) 比较L1和L2的催化性能。
图5 催化剂的稳定性
结论
本研究开发的Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2催化剂为N-杂芳烃和1,2-二羰基化合物的还原偶联提供了一种高效、选择性的方法，用于合成N-未取代杂环γ-氨基酸、酯和酮。该催化剂的多功能性和优异的性能使其在有机合成领域具有广泛的应用前景。
作者简介
张珉，华南理工大学教授、博导、德国洪堡学者、国家四青人才、广东省自然科学杰出青年基金获得者。2009年分别获法国雷恩一大化学与华南理工大学应用化学博士学位（合作培养，双博士学位）。2011年获全国百篇优秀博士论文提名奖。团队主要从事绿色有机合成与应用催化方面的研究工作。截至2023年7月，已在“《J. Am. Chem. Soc》、《Angew. Chem. Int. Ed》、《Nat. Commun.》、《ACS Catal.》、《Chem. Sci》、《Green. Chem.》等主流国际学术期刊上发表SCI论文120篇，多篇论文被评为热点文章和封面文章、累计引用6000余次，授权专利15项。先后主持了国家高层次青年人才计划、广东省自然科学杰出青年基金、国家重点研发计划子课题、国家自然科学面上基金、省自然科学基金、广州市科技计划项目、华南理工大学杰出人才引进计划、中央高校基本科研业务费、高水平大学建设专项经费、企业技术开发横向项目等20余项项目的研究工作。
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