电催化 N–C–N 偶联：通向有机氮合成的新路径

为解决传统化学合成中 N–C–N 键形成困难、选择性差等问题，研究人员开展了以甲醇和胺为原料，利用具有分级有序开放超结构的 N 掺杂碳负载的三配位 Zn 单原子催化剂（Zn/h-OPNC）进行电催化 N–C–N 偶联的研究。结果显示，该方法可高效制备 N–C–N 键化合物，还能用于合成高价值有机氮化合物，为有机氮合成提供了新途径。

　　在化学合成的世界里，精确构建化学键就像搭建一座精密的大厦，每一块 “积木”—— 化学键的精准放置都至关重要。对于有机氮化合物的合成而言，N–C–N 键的形成是其中的关键环节。然而，传统的化学合成方法在构建 N–C–N 键时困难重重。由于含氮物种的反应活性难以控制，常常会引发一系列副反应，导致合成的选择性大打折扣，就好比在搭建大厦时，错误地将积木放在了不合适的位置，影响了整体结构。不仅如此，传统方法往往需要较为苛刻的反应条件，这不仅增加了生产成本，还对环境不太友好。在制药领域，产品的纯度、生产效率以及成本都是关乎生死存亡的关键因素，因此，开发一种绿色、高效且高选择性的 N–C–N 键构建方法迫在眉睫。

为了攻克这些难题，中国科学院福建物质结构研究所等单位的研究人员踏上了探索之旅。他们致力于寻找一种创新的方法，以实现 N–C–N 键的高效、精准合成。最终，他们的研究成果发表在了《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是材料制备技术，通过模板法和热解工艺制备了具有特定结构的单原子催化剂（SACs） 。其次，采用了多种表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM） 、X 射线光电子能谱（XPS）等，对催化剂的结构和组成进行深入分析。此外，还利用电化学测试技术，包括线性扫描伏安法（LSV）等，来评估催化剂的电催化性能。

一、催化剂的合成与表征
研究人员以有序大孔 ZIF-8（OM-ZIF-8）单晶为基础，通过巧妙的实验设计，制备了一系列具有不同结构的催化剂。以聚苯乙烯（PS）微球为模板，先制备出三维有序的 PS 整体，再将硝酸锌和 2 - 甲基咪唑的甲醇溶液混合加入其中，经过一系列反应后去除模板，得到具有 3D 互连有序大微孔结构的 OM-ZIF-8 单晶。之后，在不同条件下对 OM-ZIF-8 前驱体进行热解，成功获得了 Zn₁/h-OPNC、Zn₁/h-OPNC₉₀₀、Zn₁/OPNC 和 Zn₁/f-PNC 等催化剂。通过 SEM、TEM 等表征手段发现，Zn₁/h-OPNC 和 Zn₁/h-OPNC₉₀₀具有分级有序的开放超结构，不仅保留了大孔结构，还在碳骨架中均匀分布着大量介孔，而 Zn₁/OPNC 缺乏介孔，Zn₁/f-PNC 则呈现出超薄二维纳米片形态。XPS 和 X 射线吸收近边结构（XANES）等分析进一步揭示了催化剂中 Zn 原子的配位环境和化学状态，证实了 Zn₁/h-OPNC 中存在易于接近的低配位 Zn-N₃位点。

二、电催化 N–C–N 偶联制备 TMDM 及其衍生物
研究人员将 Zn₁/h-OPNC 作为电催化 N–C–N 偶联反应的催化剂，以甲醇和二甲胺（DMA）为原料制备 N,N,N’,N’- 四甲基二氨基甲烷（TMDM）。通过线性扫描伏安法（LSV）测试发现，Zn₁/h-OPNC 具有最低的起始电位和最高的电流密度，展现出优异的电催化活性。在 0.8 V 的电位下，当甲醇与二甲胺的比例为 1:2 时，TMDM 的产率高达 357 μmol h^-1 cm^-2，法拉第效率（FE）达到 77%，选择性接近定量的 96%。而且，Zn₁/h-OPNC 在 15 h 的长时间稳定性测试中表现出色，能够稳定维持高的 FE、产率和选择性。通过引入不同的胺，研究人员还成功构建了一系列 N–C–N 键化合物。此外，利用电合成的 TMDM 作为氨基烷基化反应的试剂，实现了一系列高价值有机氮化合物的电热级联合成，例如合成抗癌药物盐酸拓扑替康（topotecan hydrochloride）时，产率可达 95% 。

三、反应机理研究
为了深入了解电催化 N–C–N 偶联的反应机理，研究人员选取从甲醇和 DMA 合成 TMDM 的反应作为研究对象。利用原位衰减全反射红外光谱（ATR-IR）监测反应过程中的中间产物变化，发现反应过程中出现了与CH₂O 相关的特征峰，表明甲醇氧化生成的CH₂O 是反应的关键中间体。同时，通过对比实验和原位拉曼光谱进一步证实了 DMA 的加入能够促进甲醇的氧化，形成CH₂O。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，与 Zn-N₄活性位点相比，Zn-N₃位点具有更低的吉布斯自由能变化，更有利于CH₂O 的生成和稳定，从而促进后续与胺的亲核加成反应。

在研究结论和讨论部分，这项研究成功构建了一种具有分级有序开放超结构的 N 掺杂碳材料，其中嵌入了易于接近的低配位 Zn-N₃位点，实现了高效的 N–C–N 键构建。Zn₁/h-OPNC 在电催化 N–C–N 偶联反应中表现出高活性和高选择性，能够高效制备 TMDM 等 N–C–N 键化合物，并通过电热级联合成策略制备出高价值的有机氮化合物，如抗癌药物盐酸拓扑替康。原位 ATR-IR 光谱和 DFT 计算揭示了反应机理，明确了 Zn-N₃位点在促进甲醇氧化和稳定 * CH₂O 中间体方面的关键作用。这一研究成果为先进电催化剂的智能设计和有机氮化合物的电化学合成提供了宝贵的指导，有望推动有机合成领域的发展，尤其是在药物合成方面，为开发更多高效、低毒的药物提供了新的技术路径和理论支持，在生命科学和健康医学领域具有重要的应用前景。**<