北大刘海超课题组ACS Catal | 室温下Pt催化剂选择性氢解糠胺制备5-氨基-1-戊醇

体娱 2024-12-05 08:31 北京

第一作者：李国梁

通讯作者：洪成彬，刘海超

通讯单位：北京大学化学与分子工程学院

论文DOI：10.1021/acscatal.4c05122

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c05122

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5-氨基-1-戊醇（APO）是一种重要的有机砌块分子，被广泛用于合成尼龙单体、生物活性分子和自愈材料。目前，APO的合成过程存在收率低、反应路线复杂和环境污染等问题。糠胺（FAM）经历氢解开环制备APO是一条潜在的生物质基路线。然而，APO发生羟胺基化反应生成吡啶限制了该路线的应用。为此，作者使用Pt/TiO₂催化剂，在室温（30 ℃）下实现了FAM中α-C-O键（临近胺基的C-O键）的选择性断裂，APO收率达到85.4%。其中，副反应主要为FAM发生加氢反应生成四氢糠胺。研究发现，质子化的氨基能够通过吸电子诱导效应促进α-C-O键断裂；四氢糠胺和APO是平行生成的，经历了相同的反应中间体（即糠胺半加氢中间体），且生成糠胺半加氢中间体为反应决速步；Pt纳米颗粒中边、角位点是主要的FAM氢解反应活性中心。

背景介绍

APO同时含有端位羟基和氨基，可以合成尼龙单体、生物活性分子和自愈材料。1,5-戊二醇经历羟胺基化可以合成APO。然而，该反应只能获得40%收率的APO，主要副反应是APO发生分子内羟胺基化反应生成哌啶。通过2-羟基四氢吡喃的还原胺化反应可以获得91%收率的APO。然而，2-羟基四氢吡喃的合成过程较为复杂，包括连续的糠醛液相加氢反应、气相脱水反应和液相水合反应等。此外，还可以利用Pt/ZrO₂催化FAM转化制备APO。但是，该反应需要使用较高的温度，并且APO最优收率仅为52%。为此，作者发展了Pt基催化剂在室温下直接催化FAM定向氢解转化为APO。通过催化剂筛选和反应条件调控，抑制了呋喃环加氢副反应，且避免了分子内成环副反应，最终获得了85.4%收率的APO。

研究出发点

(i) 开发了一条高效的生物质基路线，定向催化转化生物质糠胺制备高附加值的APO；

(ii) 结合动力学实验和CO-DRIFTS等表征手段探究了FAM氢解反应机理，阐述了催化剂构效关系，证明了边、角位Pt位点是主要的氢解反应活性中心。

图文解析

作者使用了不同贵金属催化剂对FAM氢解反应进行了探究（见图1）。在Pt基催化剂上，APO是主要产物。然而，在Ru、Rh和Pd基催化剂上，只生成四氢糠胺。并且，Pt基催化剂不能催化四氢糠胺生成APO，这说明APO和四氢糠胺均为FAM转化的一级产物，是动力学控制的平行反应。对比Pt与其它贵金属催化剂，作者提出其产物选择性的差异可能来源于Pt表面对呋喃环亲合能力和吸附方式的不同。

图1 催化剂中金属纳米颗粒的粒径及其分布：(a) Pt/TiO₂, (b) Ru/TiO₂, (c) Rh/TiO₂, and (d) Pd/TiO₂

图2 Pt/TiO₂催化剂的粒径效应

随后作者研究了Pt/TiO₂催化剂的Pt粒径效应，发现Pt粒径越小，反应活性越高，并且产物中APO的选择性也越高（见图2）。作者使用CO为探针分子，对吸附后的Pt/TiO₂催化剂进行红外光谱表征，发现Pt粒径越小，催化剂中边、角位Pt原子比例越高（见图3）。并且，该比例关系和APO生成速率（即氢解反应速率）呈现线性关系。因此，作者认为催化剂中边、角位Pt原子是FAM氢解反应的主要活性中心。

图3 （a）Pt/TiO₂催化剂的CO-DRIFTS谱图；催化剂的CO-DRIFTS谱图；（b）边、角位Pt原子比例和APO生成速率的关系

为了研究反应机理，作者开展了反应动力学实验。作者首先考察了H₂压强和FAM浓度对反应活性和APO选择性的影响（见图4），发现随着氢气压强的增大，反应速率先升高后保持不变的趋势，产物选择性基本保持不变；随着FAM浓度的增加，反应速率呈现先升高后缓慢降低的趋势，产物选择性也基本保持不变。这些结果说明FAM和H₂在Pt表面发生竞争吸附，并且FAM的吸附能力强于H₂。

图4 （a）FAM浓度和（b）H₂压强压强对反应活性和产物选择性的影响

图5 动力学方程对实验数据的拟合

因此，作者提出APO和四氢糠胺的生成经历了相同的半加氢反应中间体，然后分别发生氢解开环反应和呋喃环加氢反应。根据以上反应过程，作者假设生成半加氢反应中间体为反应决速步骤，并列出了相应的反应动力学方程，与动力学实验数据进行了拟合（见图5）。结果表明该动力学方程可以很好地拟合实验数据，验证了半加氢反应机理的合理性，氢解反应过程如图6所示。

图6 FAM转化为APO的反应机理

总结与展望

本论文开发了一种由生物质基FAM制备APO的绿色合成路线。TiO₂负载的小粒径Pt催化剂具有优异的反应活性、选择性和稳定性，可以获得85.4%收率的APO。动力学实验和CO-DRIFTS表征证明了反应的决速步为吸附在Pt表面的FAM中呋喃环发生部分加氢生成半加氢中间体。随后，半加氢中间体中α-C-O键发生断裂生成APO，该反应过程主要发生在边、角位Pt原子上。这些结果表明从生物质原料合成含氮化学品APO及其衍生物具有一定的实际应用潜力，也为其它生物基含氮化学品的转化提供了新的思路。

文献信息

Li G. et al, Effective Synthesis of 5-Amino-1-pentanol via Selective Hydrogenolysis of Biomass-Derived Furfurylamine on Supported Platinum Catalysts at Ambient Temperature. ACS Catal.2024, 14, 18268-18277.

通讯作者

刘海超，长江学者特聘教授, 1990年、1993 年分别获得四川大学理学学士和硕士学位，1996 年获得石油化工科学研究院工学博士学位，1996-1997年石油化工科学研究院工程师，1997-2000年日本东京大学日本科学技术振兴事业团(JST) 研究员，2000-2003年美国加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室博士后，2003年12月至今北京大学化学学院副教授、教授、博雅特聘教授。目前重点研究：(1) 基于不可再生化石资源的低碳烷烃以及甲醇等分子的选择催化转化; (2) 纤维素等可再生生物质资源的选择催化转化；(3)聚酯等废弃塑料的选择催化转化等。2005年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2008年获得国家杰出青年科学基金资助, 2009年获得日本化学会“The Distinguished Lectureship Award”，2012获得第四届“中国催化青年奖”，2013年获得首届“闵恩泽能源化工杰出贡献奖”，2014年获聘教育部“长江学者”特聘教授，2020年入选中国化学会首届会士等。任Journal of Catalysis，Chinese Journal of Catalysis, Green Energy & Environment, RSC Sustainability等期刊副主编；ChemSusChem, Science China Chemistry, Journal of Energy Chemistry, Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, Scientific Reports, 燃料化学学报等期刊编委。中国化学会催化专业委员会和绿色化学专业委员会副主任、中国化工学会烃资源评价加工与利用专业委员会副主任等。

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