第一作者和单位：赵紫微（中国科学院化学研究所）
通讯作者和单位：刘会贞研究员、韩布兴院士等（中国科学院化学研究所）
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c14875
关键词：己二腈、尼龙-66、氧化氨化、C-C键活化
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己二腈（ADN）是尼龙-6,6等的重要原料，在聚合物工业应用广泛，市场需求增长迅速。传统合成方法存在诸多问题，开发新的高效、安全且经济的生产方法极具挑战性。本研究发现 CuBr 与1,10-菲罗啉（phen）组合的催化体系，以氨水为氮源、O₂为氧化剂，在温和条件下可实现环己酮向己二腈的高效转化，收率超 99%。该体系对多种环酮底物适应性良好，能高选择性转化为相应二腈产物。通过一系列实验和分析，揭示反应通过多种自由基介导的反应途径，并对己二腈的高选择性原因进行探讨。
Cu:phen投入比对反应体系的影响
Figure 1． ESI-MS analysis of different molar ratio of Cu:phen reaction system.
通过测试不同Cu:phen摩尔比的反应后溶液的ESI质谱观察到由于Cu-3phen络合物的形成，产率从99%下降到可忽略不计的水平，这表明过量的phen会抑制反应物与Cu的配位，从而阻碍反应。优化的Cu:phen比例为2:1时，能有效维持游离Cu（I）离子和Cu（I）络合物之间的适当平衡，确保如Cu-2phen等最具活性的催化物种持续供应。这种平衡还可防止配体过度结合，从而保持高选择性。
Figure 2. Mechanism study. (A) Radical inhibition experiments. (B) EPR analysis. (C) Plausible reaction pathway.
机理研究
1.控制实验：通过实验发现醛可能是反应中间体，羧酸不参与二腈形成，水对反应有重要影响，如抑制醛中间体氧化为羧酸，氮源的影响等实验也证明了水在反应中的关键作用。
2.自由基抑制实验和 EPR 分析：表明反应通过自由基介导途径，涉及·OH、O₂⁻和·OR等自由基，EPR 图谱还证实反应溶液中存在Cu(II)物种。
3.提出反应机理：基于实验结果，提出反应底物先转化为亚胺中间体，经一系列反应生成目标产物 ADN 的合理反应机理。具体为，NH₃·H₂O 作为氮源，促使底物1初步转化为亚胺中间体2。亚胺中间体在催化体系中不稳定，在Cu(I)物种和O₂存在的情况下，亚胺2的β-碳原子上会迅速发生氢提取反应。此步骤导致环己基过氧化物3的形成，并随后与超氧阴离子自由基（O₂·⁻）反应。过氧化物3进一步分解释放出羟基自由基(·OH)，生成烷氧基自由基4。在O₂存在下，自由基4中的C-C键断裂生成5-甲酰基戊腈5。化合物5进一步氨化生成亚胺中间体6，同时释放一分子水。最后，亚胺6经氧化生成目标产物己二腈7，在此过程中释放另一分子水。
心得与展望
本研究开发的CuBr-菲罗啉催化体系，在温和条件下实现了环己酮到己二腈的高收率转化，多种环酮底物也能有效转化为相应二腈产物。详细机理研究为反应过程提供深入理解，新路线具有简单、经济高效等优点，为己二腈及其他二腈产物生产提供新方法，在工业应用方面具有重要潜力。
通讯作者
韩布兴，中国科学院化学研究所研究员、中国科学院院士、发展中国家科学院院士、英国皇家化学会会士，华东师范大学特聘教授、英国诺丁汉大学荣誉教授，上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室主任。主要从事物理化学与绿色化学的交叉研究，在绿色溶剂体系化学热力学、绿色溶剂-催化剂体系构建及其在二氧化碳、生物质、废弃塑料等可持续碳资源催化转化研究方面取得系统性成果。在 Science、 Nat. Chem.、 Nat. Catal.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、The Innovation等期刊发表论文1000余篇，获国家专利80余件，获国家自然科学奖二等奖、中国科学院杰出科技成就奖等、何梁何利基金奖科学与技术奖等。现任国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）绿色化学委员会主席、创新中国智库首席科学家、北京能源与环境学会会长、中国化学会常务理事、中国化学会绿色化学专业委员会主任；担任Cell 出版社The Innovation 期刊主编，《物理化学学报》、《科学通报》、Science Bulletin、 Chem. J. Chinese Universities期刊副主编，多种期刊的编委或顾问编委。
刘会贞，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师，研究领域为可再生碳资源化学催化转化研究。在Science, Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Adv., Nat. Commun.等期刊发表论文120余篇，引用6000余次，合著专著《绿色化学与可持续发展》。承担科技部国家重点研发计划，国家自然科学基金委重大项目、中科院战略先导专项等。获得中组部海外高层次人才计划、中国化学会青年化学奖、中国催化新秀奖、闵恩泽绿色能源化工奖青年进步奖、IUPAC第三世界青年绿色化学奖、作为主要完成人获得“中国科学院杰出科技成就奖”（集体奖，排名第四）。目前担任Sustainability and Circularity副主编，及ACS Catalysis、GreenChE、高等化学学报、中国化学快报等期刊青年编委或顾问编委，为绿色化学专业委员会委员，中国化学会第三届青委会委员。
第一作者
赵紫微，中国科学院化学研究所在读博士，研究方向为生物质热催化转化制备高价值化学品。
参考文献
Ziwei Zhao, Zhanrong Zhang*, Qingling Xu*, Shunhan Jia, Ying Wang, Wenli Yuan, Mingyang Liu, Huizhen Liu*, Qinglei Meng, Pei Zhang, Bingfeng Chen, Haijun Yang, Buxing Han*. Aerobic Ammoxidation of Cyclic Ketones to Dinitrile Products with Copper-Based Catalysts. Journal of the American Chemical Society, 2024. https://doi.org/10.1021/jacs.4c14875
