河北师范大学张占辉课题组J. Catal.：用于酰胺α-羟甲基化的磁性MoS2高效非

李大洋

导语
酰胺是一种廉价、天然丰富、工业上必不可少的化学原料。而羟甲基（–CH2OH）是一种非常常见的结构单元，广泛存在于天然产物、药物和生物活性化合物等化学结构中。因此，开发高效、绿色的酰胺的羟甲基化策略具有重要的价值。近日，河北师范大学化学与材料科学学院张占辉研究员课题组设计了一种磁性催化剂，应用于光驱动的酰胺羟甲基化反应中，以空气做氧化剂，成功实现了酰胺的α-羟甲基化，并提出了反应机理。相关研究成果在线发表于Journal of Catalysis（2023, 427, 115100. DOI: 10.1016/j.jcat.2023.115100）。
前沿科研成果
与之前报道的使用甲醛、多聚甲醛、二甲基甲酰胺、DMSO/H2O和甲酸的羟甲基化策略相比，甲醇更有吸引力，因为它是一种丰富、危害较小、廉价、可广泛获得且可再生的化学原料，并且在羟甲基化过程中仅产生氢气作为副产物。在2022年，西北师范大学化学化工学院马奔和杨靖亚课题组报道了钴催化的酰胺的α-羟甲基化。该方法需要使用叔丁基过氧化氢（TBHP）作为氧化剂且反应在加热下进行。因此，利用甲醇作为羟甲基化试剂，探索一种环境友好的、绿色的、实用的酰胺α-C(sp3)-H羟甲基化反应是非常必要的。
二硫化钼是一种典型的二维（2D）结构半导体，具有窄带隙（1.2–1.9 eV）、出色的电载流子迁移率、高化学反应性和良好的光学特性，为催化反应提供了大量的微环境，可以显著提高催化效率。但作为非均相光催化剂，仅实现了非常有限的光催化转化，所以将二硫化钼制成不同的复合材料以提高其催化效率与利用率。聚多巴胺（PDA）涂层是最简单、最通用的材料表面功能化方法之一。PDA能够吸收从紫外线到可见光的宽带光谱范围内的光。更重要的是，PDA具有大量的羟基和氨基官能团，可以螯合金属离子，作为中间层增强复合材料整体的化学特性。
综合以上，张占辉课题组设计合成了CuFe2O4/PDA/MoS2。用磁性纳米材料CuFe2O4/作为载体，方便催化剂的磁性分离再利用。
磁性CuFe2O4/PDA/MoS2光催化剂可通过三步制备。首先，在碱性条件下，以铁(III)盐和铜(II)盐为前驱体，采用化学共沉淀法制备了铁酸铜纳米粒子。随后，在tris-HCl缓冲溶液和空气气氛中，多巴胺（DA）被氧化并在CuFe2O4表面自聚合得到CuFe2O4/PDA。最后，以七钼酸铵为钼源、硫脲为硫源制备的二硫化钼可以通过螯合PDA中的氮和羟基高负载在CuFe2O4/PDA表面。对合成的催化剂的化学结构、形态、组成等通过IR、XRD、SEM、XPS、VSM等进行了表征和测定。

CuFe2O4/PDA/MoS2的合成（来源：J. Catal.）
为了研究该催化剂的反应活性，作者以N-甲基-N,2-二苯基乙酰胺和甲醇作为反应模板，对反应条件进行了优化。结果表明，以甲醇为溶剂和反应物，空气为氧化剂，碳酸铯提供碱性环境，白色LEDs照射48 h，可以90%的分离收率获得目标产物。在明确上述最佳反应条件后，作者对酰胺的适用范围进行了考察。

a Reaction conditions: N-methyl-N,2-diphenylacetamide (1 mmol), MeOH (3 ml), base (2.0 mmol), photocatalyst (20 mg), room temperature, 10 W LEDs, air, room temperature, or as otherwise specified in the table. b Isolated yields. c Photocatalyst (0.05 mmol). d Cs2CO3 (1.0 mmol). e Cs2CO3 (2.5 mmol). f CuFe2O4/PDA/MoS2 (10 mg). g CuFe2O4/PDA/MoS2 (30 mg). h The reaction was conducted in nitrogen atmosphere.
表1. 反应条件的筛选（来源：J. Catal.）
在确定最佳条件后，评估了酰胺化合物直接α-羟甲基化的底物范围。如表2所示，苯环上带有给电子或吸电子基团的2-芳基-N-甲基-N-苯基乙酰胺与甲醇顺利反应，以72–93%的分离产率得到相应的α-羟甲基化产物2b-2m。苯环上带有吸电子取代基的2-芳基-N-甲基-N-苯基乙酰胺比带有给电子基团的2-芳基-N-甲基-N-苯基乙酰胺具有更高的反应活性，并给出相对高的产率。带有三氟甲基的2-芳基-N-甲基-N-苯乙酰胺是合适的底物时，α-羟甲基化产物2n的产率为84%。此外，苯环上带有双取代的β-芳基酰胺如2-(2,4-二氟苯基)-N-甲基-N-苯乙酰胺和2-(3,4-二甲氧基苯基)-N-甲基-N-苯乙酰胺也适合于该反应，并高产率得到目标产物（2o和2p）。含杂环的酰胺也以74%的产率转化为所需的产物2q。

表2. 2-芳基-N-甲基-N-苯基乙酰胺与甲醇的反应（来源：J. Catal.）
通过将2-芳基固定为苯环来测试具有不同N-取代基的多种酰胺，进一步探索了底物范围。如表3中所示，具有不同N-芳基（包含不同官能团）的酰胺，无论其不同的电子性质如何，在优化的条件下都能顺利地与甲醇反应，并以77-90%的产率提供所需的产物4a–4 i。值得注意的是，胺部分是N-乙基-N-苯基、N,N-二苯基、吲哚啉、1,2,3,4-四氢喹啉，它们也是合适的反应底物，高收率得到目标产物4j–4m。

表3. 不同胺与甲醇的α-羟甲基化（来源：J. Catal.）
机理研究中，作者发现在优化反应条件下加入TEMPO、1,1-二苯乙烯捕获剂时，反应被抑制，通过质谱分析发现有以上捕获剂的加和产物A和B生成。加入单氧清除剂DABCO、光生电子抑制剂过硫酸钾、光生空穴清除剂二茂铁或草酸铵后，反应收率明显降低，为此，提出了一个可能的反应机理。

控制实验（来源：J. Catal.）

可能的反应机理（来源：J. Catal.）
反应放大10倍后，仍以89%的收率得到目标产物。反应结束后催化剂可进行磁性分离，重复使用5次后催化活性没有明显降低。

反应的克级合成和回收实验（来源：J. Catal.）
总结
张占辉课题组设计了一个磁性可分离的MoS2非均相光催化剂，使用甲醇作为C1源，空气为氧化剂，该催化剂可高效催化酰胺的甲基化反应，为β-羟基酰胺衍生物的合成提供了一种经济绿色的新方法。该方法具有温和的反应条件、广泛的底物应用范围以及优良的官能团兼容性等优势。
该工作近期发表在《催化杂志》上（J. Catal.2023, 427, 115100. DOI: 10.1016/j.jcat.2023.115100），河北师范大学王亚萌为第一作者，河北医科大学张默和河北师范大学张占辉为通讯作者。
教授简介
张占辉，二级研究员，博士研究生导师，省管优秀专家，河北省优秀教师，河北省有机功能分子重点实验室副主任，河北省药学会药物化学专业委员会委员，绿色与可持续化学团队负责人，中国化学会高级会员。2006年在南开大学有机化学专业获博士学位，2019-2020年在新加坡南洋理工大学做访问学者（合作导师：赵彦利教授）。长期致力于绿色有机合成方面的研究，发表学术论文100余篇，论文被引用8000多次，H指数58。担任Current Organic Synthesis、Current Chinese Chemistry和Current Organocatalysis杂志编委，研究成果获河北省自然科学一等奖（排名第一）。入选”爱思唯尔中国高被引学者” （2020-2022）、”全球学者库“及”全球顶尖前10万科学家”榜单，获Web of Science “Top peer reviewer”。
邀稿
今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。。
投稿、转载授权、合作、进群等

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0qgkhCOu
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！