Cu-N-C/Al2O3催化剂在硝基芳烃与甲醇N,N-二甲基化反应中的高效催化机制研究

为解决硝基芳烃N-甲基化反应中贵金属催化剂成本高、非贵金属催化剂效率低的问题，研究人员开发了通过沉积-沉淀-热解法制备的Cu-N-C/Al2O3催化剂。该催化剂在连续流动模式下实现了硝基芳烃与甲醇的高效N,N-二甲基化反应，产率达92.7%，显著优于传统Cu/Al2O3催化剂（8.9%）。表征分析证实Cu-N物种为关键活性位点，为绿色甲基化提供了新策略。

　　

在有机合成领域，硝基芳烃的N-甲基化反应是制备医药、农药中间体的重要途径。传统工艺需先将硝基芳烃还原为胺类，再使用剧毒甲基化试剂（如卤代甲烷、硫酸二甲酯），存在原子经济性差、环境污染大等问题。虽然甲醇作为绿色甲基化剂备受关注，但现有催化剂普遍依赖贵金属（Pt、Pd等）或需外加氢源和碱添加剂，制约了工业化应用。

针对这一挑战，国内研究人员通过创新性的沉积-沉淀-热解三步法，成功构建了Cu-N-C/Al₂O₃催化剂体系。该研究首次将氮掺杂碳负载铜催化剂应用于硝基芳烃与甲醇的连续流动反应，相关成果发表于《Surfaces and Interfaces》。

研究采用SEM、TEM、XRD、XPS和N₂吸附/脱附等技术系统表征催化剂结构，通过连续流动反应装置评估催化性能。以硝基苯为模型底物，在200°C、无外加氢源和碱的条件下进行测试。

结果与讨论

1. 催化性能突破：Cu-N-C/Al₂O₃的N,N-二甲基苯胺产率高达92.7%，较传统Cu/Al₂O₃提升10倍以上，且实现连续100小时稳定运行。
2. 结构解析：XPS证实催化剂中存在Cu-N配位结构（结合能932.5 eV），TEM显示铜颗粒均匀分散于氮掺杂碳基质（粒径5-8 nm）。
3. 机理创新：提出Cu-N物种协同活化机制——氮原子通过孤对电子稳定Cu活性中心，同时促进甲醇脱氢和氢转移过程。

结论与意义
该研究开创性地证实Cu-N-C/Al₂O₃中Cu-N物种是N-甲基化的关键活性位点，解决了非贵金属催化剂效率低的难题。相较于现有技术，该体系具有三大优势：① 以廉价甲醇同时作为甲基化剂和氢源；② 无需碱添加剂；③ 适用于连续流动生产。这不仅为绿色有机合成提供了新范式，也为设计高效M-N-C催化剂提供了理论依据，在精细化工领域具有重要应用前景。