可回收的Mn2O3@SiO2纳米催化剂用于选择性单N-烷基化胺类利用借氢方法

《ACS Omega》：Recyclable Mn2O3@SiO2 Nanocatalyst for Selective Mono-N-alkylation of Amines Utilizing a Borrowing-Hydrogen Approach

　　

胺类（amines）是广泛存在于多种产品中的结构单元，并作为基本构建模块用于药物和农用化学品的生产。C–N键的构建已取得进展；在众多合成方法中，借氢策略（borrowing-hydrogen strategy）已发展为一种绿色、原子经济且可持续的方法。该方法通过利用可再生醇类（alcohols）作为烷基化源，实现胺类的N-烷基化。尽管已有大量基于非贵金属的多相催化剂（heterogeneous catalysts），但开发高活性、高稳定性和可回收的系统仍是一个持续的挑战。在本研究中，研究人员报道了一种高度空气稳定的Mn₂O₃@SiO₂纳米复合材料（nanocomposite）的合成及其催化应用，用于在无溶剂、纯条件下，醇类与胺类的选择性单N-烷基化反应。通过借氢路径（borrowing-hydrogen pathway），该催化剂有效支持烷基化反应，在6小时内获得N-烷基化产物（N-alkylated products）的高产率（高达97%）。研究人员展示了广泛的底物适用范围，包括多种官能团及与制药行业相关的胺类中间体。采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）、X射线光电子能谱（XPS）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）和比表面积分析（BET）等技术对纳米催化剂进行了全面表征。该催化剂表现出优异的可重复使用性，在六次连续催化循环中保持活性，未出现显著性能下降。通过控制实验进行机理研究，支持了借氢路径的假设。该方法的总体目标是展示一种稳健、高效且可回收的Mn₂O₃@SiO₂纳米催化体系，用于实现可持续的N-烷基化反应。

**论文解读：可回收Mn₂O₃@SiO₂纳米催化剂用于选择性单N-烷基化胺类的借氢方法**

**研究背景与问题**
C–N键的形成在有机合成中至关重要，广泛存在于天然产物、药物、农用化学品、染料及表面活性剂中。传统N-烷基化方法（如Ullmann反应、Buchwald–Hartwig反应、卤代烃烷基化等）虽然有效，但存在使用有毒试剂、大量碱、反应物预活化、过度烷基化及副产物生成等问题，导致环境污染和资源浪费。借氢策略（borrowing-hydrogen strategy）作为一种绿色、原子经济的方法，利用可再生醇作为烷基化源，仅产生水作为副产物，成为合成N-烷基胺的理想替代方案。然而，现有均相贵金属催化剂（如Ru、Pd、Ir等）成本高、配体昂贵、稳定性差且难以回收；非贵金属多相催化剂虽已开发，但实现高活性、高稳定性和可回收性仍面临挑战。为此，研究人员旨在开发一种基于非贵金属锰（Mn）的多相纳米催化体系，实现高效、选择性单N-烷基化反应，并兼顾可回收性与环境友好性。

**研究内容与结论**
研究人员合成了Mn₂O₃@SiO₂纳米复合材料，并首次将其应用于无溶剂条件下胺类与醇的选择性单N-烷基化反应。通过借氢机制，该催化剂在6小时内获得高达97%的产率，适用于多种芳胺、杂环胺及苄醇衍生物，包括药物相关中间体（如抗组胺药前体）。催化剂在六次循环后仍保持活性，无显著下降。通过控制实验证实反应遵循借氢路径：醇脱氢生成醛，与胺缩合为亚胺，再经氢转移还原得产物。该研究发表在《ACS Omega》上，意义在于提供了一种低成本、非贵金属、可回收的多相催化体系，为可持续C–N键合成开辟了新途径。

**主要技术方法**
采用St?ber法合成SiO₂纳米颗粒，再通过沉淀法将Mn(NO₃)₂·4H₂O负载于SiO₂上，经氨水调节pH至12，老化后煅烧（800°C，4小时）制得Mn₂O₃@SiO₂纳米复合材料。利用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）、X射线光电子能谱（XPS）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）、比表面积分析（BET）及电子顺磁共振（EPR）对催化剂进行全面表征。反应条件优化以苯胺和苄醇为模型底物，在无溶剂、130°C、6小时、tBuOK为碱的条件下进行。

**研究结果**

**3.1 粉末X射线衍射（XRD）分析**
通过XRD表征，确定SiO₂为无定形结构，Mn₂O₃@SiO₂在800°C煅烧后显示Mn₂O₃的立方晶相（JCPDS 041-1442），衍射峰对应（222）、（400）、（440）、（622）晶面，证明Mn₂O₃成功负载于SiO₂上。

**3.2 FT-IR研究**
FT-IR谱图显示Si–O–Si伸缩振动（1089 cm^–1）、Mn–O–Mn对称伸缩振动（609 cm^–1）及Mn–O键（560, 704 cm^–1），证实Mn₂O₃与SiO₂的相互作用。

**3.3 N₂吸附研究**
BET分析显示，Mn₂O₃@SiO₂比表面积达42.128 m²/g，高于裸SiO₂（约10 m²/g），孔径从介孔（17.920 nm）变为微孔（1.425 nm），表明Mn₂O₃占据SiO₂孔道，有利于活性位点可及性。

**3.4 X射线光电子能谱（XPS）**
XPS全谱证实材料高纯度；Mn 2p谱显示641.7 eV（Mn 2p_3/2）和653.5 eV（Mn 2p_1/2），自旋分裂11.8 eV，对应Mn³⁺；Si 2p峰在103.4 eV（Si⁴⁺）；O 1s谱分峰为530.3 eV（Mn–O晶格氧）和532.8 eV（Si–O–Si），证明Mn³⁺稳定锚定于SiO₂表面。

**3.5 热稳定性研究**
TGA显示催化剂在800°C下仅失重5.66%，最终残留94.34%，表明优异热稳定性。DTA曲线在400–800°C出现宽放热峰，归因于Mn₂O₃结晶化及SiO₂网络致密化。

**3.6 微观结构分析**
FE-SEM显示纯SiO₂为均匀球形（约45 nm），Mn₂O₃@SiO₂中Mn₂O₃均匀分布，无团聚；EDS确定Mn含量约7 wt%；元素映射证实Mn均匀分散。TEM图像显示清晰球形结构，SAED图案显示衍射环，证实Mn₂O₃的高结晶性，与XRD一致。

**3.7 EPR分析**
裸SiO₂无EPR信号，而Mn₂O₃@SiO₂在g=2.004处出现显著信号，归因于Mn³⁺中心及氧空位缺陷，增强催化活性。

**3.8 催化研究**
以苯胺和苄醇为模型，优化反应条件：无溶剂、130°C、6小时、tBuOK（0.5当量）、10 mg催化剂（7 wt% Mn），产率97%。溶剂筛选显示THF产率91%，无溶剂更优；时间缩短至6小时产率提升；碱缺失无反应；温度优化确定130°C最佳；对照实验表明Mn₂O₃@SiO₂协同作用关键。

**3.9 底物适用范围**
不同取代苄醇（甲基、甲氧基、氯）与苯胺反应，产率良好至优异；电子给体取代基促进反应，邻位取代因位阻产率略低；取代苯胺（甲氧基、甲基、吸电子基）均适用；杂环胺（2-氨基吡啶）得到中等产率；脂肪醇和脂肪胺反应活性低，仅获痕量产物，表明方法更适用于芳胺和苄醇。

**3.10 药物相关中间体合成**
以2-氨基吡啶与苄醇反应，合成抗组胺药（如曲吡那敏、氯吡拉敏、美吡拉敏）的关键中间体，产率良好至优异。

**3.11 克级规模合成**
10 mmol苯胺、20 mmol苄醇、5 mmol tBuOK、200 mg催化剂，130°C反应12小时，获得N-苄基苯胺产率91%，证明催化剂在大规模合成中的实用性。

**3.12 机理研究**
控制实验：（a）单独苄醇反应得到苯甲醛，证实醇脱氢；（b）3小时GC-MS检测到亚胺中间体；（c）以苯甲醛替代苄醇直接生成亚胺；（d）分离亚胺与苄醇反应得N-烷基化产物；（e）加入自由基捕获剂TEMPO未影响产率，排除自由基机理。综上，反应遵循借氢机制：醇脱氢→醛+胺缩合为亚胺→氢转移还原得产物。

**3.13 可回收性研究**
催化剂在六次循环后产率无明显下降；XRD和FE-SEM/EDS分析显示晶体结构和表面形态保持完整；热过滤实验表明反应3小时后移除催化剂，产率不再增加，证实无活性组分浸出，催化剂为真正的多相体系。

**总结与结论**
讨论部分强调：该催化剂结合了Mn₂O₃的氧化还原活性与SiO₂的结构稳定性，微孔结构和高比表面积提升活性位点可及性；EPR揭示的氧空位缺陷进一步增强催化性能。与传统贵金属催化剂相比，Mn₂O₃@SiO₂成本低、环境友好、可回收，且无需溶剂和额外配体。结论部分翻译如下：总之，研究人员成功制备了一种高度稳定、高效且可回收的Mn₂O₃@SiO₂纳米复合催化剂，通过借氢机制在无溶剂条件下实现胺类与醇的选择性单N-烷基化。该催化体系对多种芳香胺和杂环胺及苄醇衍生物（包括药物相关中间体）表现出显著活性和选择性，在6小时内获得高达97%的产率。优化条件不仅提高反应效率，还符合绿色化学原则，减少废物并避免外部溶剂。通过XRD、FT-IR、TGA、XPS、FE-SEM、TEM和BET的全面表征，证实了催化剂独特的结构、高孔隙率和比表面积、热稳定性及多相特性。催化剂在六次连续循环中保持优异活性，无显著损失，展示了其实用性和长期可靠性。机理研究和控制实验确认反应通过借氢机制进行，包括连续的醇脱氢、亚胺生成及后续转移氢化得到N-烷基化胺。该研究将Mn₂O₃@SiO₂纳米复合材料确定为C–N键合成中贵金属催化剂的一种非常有前景、经济且环保的替代品。其卓越的催化效率、可回收性和结构完整性突显了其在大规模可持续合成中的应用潜力。这些发现为未来非贵金属多相催化体系的发展奠定了坚实基础，并进一步推动了现代有机合成中可持续、经济可行方法的探索。