专注催化领域！他，华工「洪堡学者」，新发JACS！
学术
2024-11-08 21:07
河南
γ-氨基酸及其衍生物在有机合成、生物医药及材料科学中的具有重要应用价值。特别是六元N-杂环γ-氨基酸衍生物，因其在生物医药分子中的广泛应用而备受关注。然而，目前缺乏有效的方法采用基础原料直接合成未被N-取代的杂环γ-氨基酸衍生物。传统的催化还原偶联多为均相体系，限制了催化剂的重复使用。近年来，催化氢转移（CTH）作为一种便捷的C−C偶联手段，引起了关注，但针对不活泼的N-杂芳烃与羰基亲电体的直接还原偶联仍是合成难题。基于此，华南理工大学张珉教授团队提出了一种新颖的异相单原子催化策略，将铱单原子负载于硅胶和硼掺杂的二氧化锆上（Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2），成功实现了N-杂芳烃与1,2-二羰基化合物的高效还原偶联。该催化剂利用铱单原子与硼酸性位点的协同效应，选择性地还原N-杂芳烃，生成重要的烯胺中间体，进而高效生成γ-氨基酸、酯类和酮类衍生物。这一成果为N-杂芳烃化合物的绿色合成提供了新的技术途径，相关研究以“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”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》期刊上，为杂环化合物合成提供了新思路。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。已在“《Acc. Chem. Res.》、《J. Am. Chem. Soc.》、《Angew. Chem. Int. Ed》、《Nat. Commun.》、《CCS Chem.》、《ACS Catal.》、《Chem. Sci》、《Green. Chem.》等主流国际学术期刊上发表SCI论文，多篇论文被评为热点文章和封面文章。1.首创异相单原子催化体系：通过在硅胶和硼掺杂二氧化锆上限域单原子铱，设计了一种新颖的异相催化剂，既保持了催化活性，又解决了传统均相催化剂的可回收性和环保性较差的问题。2.高效选择性的N-杂芳烃还原偶联：该催化剂在选择性还原不活泼的N-杂芳烃方面表现出优异性能，有效生成烯胺中间体，推动反应向目标γ-氨基酸和酯类衍生物的高效合成。3.优异的催化剂稳定性和可重复使用性：该催化剂在十次循环使用后依然保持高活性和稳定性，验证了其在绿色合成和工业应用中的潜力。Scheme 1功能性杂环γ-氨基酸衍生物的筛选及合成策略Scheme 1展示了N-杂环γ-氨基酸衍生物的合成挑战与当前常用的策略。在图1a中，列出了具有医药价值的N-杂环γ-氨基酸分子，强调了这类分子在生物医学中的重要性。图1b则介绍了现有催化系统（如Krische和Donohoe研究团队开发的催化氢转移和还原偶联技术），这些技术虽在多种化学键构建中表现出色，但因均相体系难以回收，限制了其规模化应用。为克服这些挑战，本研究提出了选择性还原N-杂芳烃以直接生成N-未取代的γ-氨基酸酯类的策略，设计了异相催化体系，通过该系统能高效实现N-杂芳烃与α-酮酯的还原偶联。此方案有效解决了反应选择性、催化剂稳定性和可再利用性的问题，为γ-氨基酸类化合物的合成提供了便捷途径。图1展示了不同催化剂在N-杂芳烃（A1）和乙基2-氧代乙酸酯（B1）模型反应中的催化性能，比较了各类催化剂的催化效率。实验发现，Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2催化剂在产率方面表现最佳（82%），这是由于其酸性载体有效提升了反应选择性。相比之下，碱性Ir@MgO/SiO2和中性Ir@C/SiO2催化剂均无催化活性，而具有酸性的Ir@ZrO2/SiO2催化剂的产率则达到了43%，表明载体的酸性在促进产物生成上具有积极作用。将ZrO2载体换为B-ZrO2后，产率显著提高至82%，证明硼掺杂调控的Lewis酸位点在提升催化效率方面具有关键作用。此外，实验还表明SiO2在催化剂中不可或缺，其缺失会使产率下降到67%。这一系列结果展示了Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2催化剂在选择性还原偶联反应中的优越性能，并证实了铱活性位点和酸性支持材料之间的协同效应是实现高产率的关键因素。图2 Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2催化剂的结构特征图2展示了Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2催化剂的结构特征，揭示了该催化剂的单原子分散特性及其构效关系。通过透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像（图2a、2b）观察到催化剂上无明显的铱纳米颗粒，表明铱处于单原子分散状态。AC-HAADF-STEM图像（图2c）显示了分散的铱原子（明亮点状），证实了单原子的均匀分布。XANES光谱（图2d）显示该催化剂中的铱呈现正电荷，与铱箔和IrO2标准样品相符。通过Ir L3边的EXAFS傅里叶变换谱（图2e），可以观察到Ir-N和Ir-Zr键的特征峰，这一数据证明了单原子铱与载体材料间的强相互作用。最后，NH3-TPD分析（图2g）揭示了催化剂中分布有Lewis酸位点，这有助于增强催化剂的催化活性。Scheme 2 N-杂芳烃与乙二醛酸酯的高效还原偶联反应的底物适应性Scheme 2展示了N-杂芳烃与乙基乙二醛酸酯（B1）反应生成γ-氨基酸衍生物的底物适应性，验证了该催化系统的广泛适用性。不同取代基的喹啉衍生物（如C5、C6、C7和C8位取代）均可在该催化体系下高效转化为目标产物（C1-C17），且其电子效应对反应有一定影响。通常，电子供给基团的喹啉（如C2、C3、C5、C13和C15）生成的产率较高，而带有吸电子基团的喹啉（如C4、C6−C12、C14、C16和C17）则略低。此外，双吡啶衍生物（如1,10-菲啰啉和4,7-菲啰啉）在该反应中也表现出良好的兼容性，生成了带有双β-官能团的产物（C23−C25），其中一个吡啶单元被还原。这些产物在配体和催化领域中具有潜在应用价值。此外， 1,8-萘啶、喹喔啉等其他类型的N-杂芳烃也能顺利反应，获得相应产物（C26−C29）。此底物适应性测试表明，该催化体系适用于多种N-杂芳烃，能够高效生成不同类型的γ-氨基酸衍生物。图3A通过控制实验表明，Irδ+是反应的活性位点，且C1为关键中间体，实验显示去除KSCN可以使反应完全停止，而加入足量KSCN则抑制了产物生成。图3B进行了氘标记实验，通过使用氘代试剂，确认了氢源的贡献位置及1,4-加成路径。实验结果表明，HCOOH/HCOONa是主要氢源，且1,4-加成为主要途径，而溶剂不作为氢源。图3C提出了可能的反应路径：催化剂与HCOOH生成[IrH2]活性物质，通过1,4-加成生成烯胺中间体，再与α-酮酯B1发生β-亲核加成，最终生成产物C1。图3D的密度泛函理论（DFT）计算支持1,4-加成的稳定性和反应的四步路径。该图的实验和计算结果共同揭示了该催化体系的化学选择性及反应机理，为设计进一步的催化反应提供了理论依据。图4展示了Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2催化剂的循环使用性能及其结构稳定性。图4A展示了该催化剂在完全转化和半转化条件下连续运行10次后的活性保持情况。结果显示，在重复使用过程中，Ir-SAs@B-ZrO2/SiO2的催化活性几乎没有下降，表现出优异的再利用性。相比之下，图4B中Ir/B-ZrO2催化剂在没有SiO2的情况下，随着循环次数的增加，其活性逐渐下降。这表明SiO2在该催化体系中起到了关键的稳定作用，有助于固定铱原子，防止其在反应过程中聚集或流失。该研究通过设计异相单原子铱催化剂，实现了N-杂芳烃与1,2-二羰基化合物的高效还原偶联，为γ-氨基酸、酯类和酮类衍生物的合成提供了一条简便、绿色的路径。研究成果展示了催化剂在底物适应性、反应选择性和重复使用性能方面的优越性，证明了其在实际应用中的可行性和可持续性。未来，基于此催化体系的概念和机理探索，可以进一步开发更多异相单原子催化剂，推动在药物合成、材料科学和工业催化等领域的应用。同时，该研究的中间体精准转化策略也为设计多步串联反应提供了新思路，拓展了绿色化学的应用潜力。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. Journal of the American Chemical Society, https://doi.org/10.1021/jacs.4c09827.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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