双氢键催化温和条件下胺类羰基化反应中C-N键高效构建的机制研究与应用

本研究针对传统胺类羰基化反应中催化剂效率低、金属残留等问题，开发了1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)作为双氢键催化剂，在室温条件下实现丙胺(PA)与碳酸二甲酯(DMC)的高效转化。通过原位FTIR、NMR及DFT计算证实，TBD通过协同激活底物和促进质子转移，使反应速率提升10倍，为绿色合成N-取代氨基甲酸酯提供了新策略。

　　

在化学合成领域，C-N键的构建一直是研究热点，尤其在制备酰胺类化学品中占据重要地位。胺类与碳酸二甲酯(DMC)的羰基化反应作为高效构建C-N键的途径，近年来因其在涂料、聚合物、医药和农药等领域的广泛应用而备受关注。然而，传统催化剂存在催化效率有限、金属残留导致环境污染等问题，且反应机理尚不明确。针对这些挑战，中国科学院过程工程研究所的研究团队开展了一项创新性研究，通过双氢键催化策略实现了温和条件下胺类羰基化的高效转化，相关成果发表在《Green Energy》上。

研究团队采用1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)作为金属游离催化剂，其独特的双氢键供体-受体结构可同时激活丙胺(PA)和DMC。通过系统优化发现，10% TBD负载量在室温条件下30分钟内即可实现74%的甲基丙基氨基甲酸酯(MPC)收率，反应活化能低至12.7 kJ/mol。相较于单氢键催化剂，TBD的反应速率提升达10倍，且催化剂可循环使用5次以上无明显活性损失。

关键技术方法包括：1) 原位傅里叶变换红外光谱(FTIR)实时监测反应进程；2) 核磁共振氢谱(¹H NMR)和二维核欧沃豪斯效应谱(NOESY)解析分子相互作用；3) 扩散排序谱(DOSY)定量氢键强度；4) 动力学同位素效应(KIE)实验确定限速步骤；5) 密度泛函理论(DFT)计算反应能垒。

【3.1 胺类羰基化反应性能】实验表明，TBD催化下PA转化率较无催化剂体系提高3个数量级。原位FTIR显示DMC羰基峰(1750 cm^-1)强度随反应进行显著降低，同时出现MPC特征峰(1720 cm^-1)，证实TBD促进底物转化。

【3.2 催化剂-底物相互作用】¹H NMR显示TBD与DMC混合后-CH₃质子峰从3.72 ppm位移至3.36 ppm，DOSY测定自扩散系数从1.79×10^-5降至7.85×10^-6 cm²/s，证实TBD通过-NH…O(CH₃)氢键激活DMC。

【3.3 机制分析】KIE值2.93表明N-H键断裂是限速步骤。NOESY谱观测到TBD与底物质子空间接近(＜5 ?)，DFT计算显示双氢键使反应能垒从25.5 kcal/mol降至13.7 kcal/mol，形成稳定的八元环过渡态。

【3.5 底物拓展与机制探究】研究发现二胺类产物会通过-NH-CO-基团形成氢键网络，阻碍完全转化。添加DMSO可破坏该网络，使戊二胺(PDA)转化率从52%提升至90%。

该研究首次阐明了TBD通过双氢键协同催化机制：1) 咪唑氮激活PA的N-H键；2) 氨基氢激活DMC的C=O键；3) 通过质子交换完成转化。这一发现不仅为绿色合成氨基甲酸酯提供了高效策略，更深化了对非共价相互作用催化机制的理解，对设计新型生物相容性催化剂具有重要指导意义。