▲第一作者：张健；通讯作者：何静

通讯单位：北京化工大学

论文DOI：10.1021/acscatal.9b03245            

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饱和含 N 杂环化合物是构成生物活性药物和天然产物的核心架构。目前，饱和含 N 杂环化合物的制备主要由不饱和 C=C/C=N 键加氢或贵金属配合物均相催化 C-C 或 C-N 键构建。因此亟需发展一种绿色、高效合成饱和含 N 杂环化合物的方法及催化体系。本工作设计了一种负载型纳米 Ni 催化剂，同时构筑 C-C/C-N 键，Ni⁰ 和 Ni^δ+ 协同催化乙醇和 2-氨基苄醇高效转化为 1,2,3,4-四氢喹啉(THQ)及其衍生物。

背景介绍

乙醇可广泛来源于化石资源和生物质资源：既可由乙烯水合制得，也可通过生物质发酵获得，还可由天然气一步转化直接合成或经由二甲醚、醋酸酯或草酸酯等路线合成。与“明星分子”甲醇相比，乙醇分子中化学键更加丰富，其既可直接进行 C-C 加成或羰基插入转化为高值化学品，也可经由乙醛进行丰富的化学转化，乙醇转化不仅具有重要的科学意义，而且可延长产业链，促进资源有效利用和相关产业可持续发展，具有重大的实用价值。

C-N 键构建是制备含 N 化合物的重要途径。2016 年，Min Zhang 教授(Org. Lett. 2016, 18, 724−727) 报道了在外加液体碱条件下，均相 Ru 配合物催化醇和胺基醇同时构建 C-C/C-N 键，为高效构建 C-N 键提供了新方法，同时也为乙醇分子的转化利用指明了新方向。

研究出发点

催化醇和胺基醇转化同时构建 C-C/C-N 键包含醇脱氢、醛氨/aldol 双重交叉缩合、氢转移过程，因此不仅要求催化剂同时具有金属催化中心和酸碱催化中心，同时还要求金属催化与酸碱催化之间协同作用。对此，本工作提出同时具有酸碱中心的复合氧化物负载Ni催化剂，以实现 C-C/C-N 键的同时构建。但如何有效控制催化剂结构又是一个挑战。层状双金属氢氧化物 (LDHs) 以其主体层板化学组成可调、组成层板的金属元素以原子水平高度分散、层状结构拓扑转变形成层状双金属氧化物 (LDO) 等特点，成为氧化物负载过渡金属催化剂的良好前驱体。

因此，本工作以 NiAl-LDHs 为前体，设计制备了 NiAl-LDO 负载纳米 Ni 催化剂(Ni-NiAl-LDO)。纳米 Ni 颗粒为脱氢和氢转移提供了有效的金属催化活性位点，NiAl-LDO 为醛氨/aldol 双重交叉缩合提供了足够的酸碱催化活性位，因此实现了无需外加液体碱及氢气条件下 C-C/C-N键的同时构建，Ni-NiAl-LDO 催化伯醇和 2-氨基苄醇有效转化为 THQ 及其衍生物。研究结果发表在 ACS Catal. (DOI: 10.1021/acscatal.9b03245)上，第一作者为北京化工大学的博士生张健，通讯作者为何静教授。 

图文解析

a．催化剂制备与性能

首先，通过 Ni/Al 比为 2.0 的 NiAl-LDHs 在还原气氛下的拓扑转变得到了 Ni 颗粒为 5.0 nm、暴露 Ni(111)晶面的 Ni-NiAl-LDO。应用于乙醇和 2-氨基苄醇反应中，120 ^oC，反应22h，以 96 %的收率得到了 THQ 。通过监控反应历程发现，2-氨基苄醇可以很快脱氢形成2-氨基苯甲醛，2-氨基苯甲醛是重要的中间体(图1，a)。

表面上看，2-氨基苯甲醛的转化控制着该反应的进行，但实际上，2-氨基苯甲醛的转化不仅受自身与乙醛双重交叉缩合的影响，而且受乙醇脱氢生成乙醛速率的影响。因此我们以乙醛代替乙醇，与 2-氨基苄醇反应，发现 2-氨基苄醇在 1h 内即可完全转化为 1,2-二氢喹啉，且反应过程没有检测到 2-氨基苯甲醛和喹啉的产生(图1，b)，这说明 2-氨基苯甲醛与乙醛的交叉缩合以及氢转移均可很快进行。因此可以断定，乙醇脱氢形成乙醛为速率控制步骤。

同时还可发现，仅在乙醇和 2-氨基苯甲醇的反应初期检测到痕量的喹啉(图1，a)，这一方面说明反应历程经过喹啉中间体，另一方面说明纳米Ni具备良好的氢转移能力，形成的喹啉很快加氢形成目标产物THQ。为此，我们进一步对反应气氛进行了调控，将反应气氛由自然气氛调整为氧气气氛，抑制氢转移，发现产物停留在喹啉，反应 24 h，以 78 %的收率得到喹啉。

▲Figure1. Time course for the reaction between (a) 2-amino benzyl alcohol and ethanol and (b) 2-amino benzyl alcohol and acetaldehyde on 5.0nmNi-NiAl-LDO at 120 °C under an Ar atmosphere. The insert in (b) shows an enlarged view of the reaction profile within 1 h.

b．粒径效应及本质

随后，我们通过调控 NiAl-LDHs 的 Ni/Al 比及焙烧还原时间调控了 Ni 颗粒尺寸，得到了 Ni 颗粒粒径尺寸分别为 3.0、5.0、5.6、6.4 和 7.8 nm，均暴露 Ni(111) 晶面且酸碱性相近的 Ni-NiAl-LDO(图2)。将2-氨基苯甲醇脱氢、双重交叉缩合和 THQ 产生速率与纳米 Ni 粒径相关联，发现了明显的 Ni 粒径效应，即随着 Ni 粒径降低到 3.0 nm， THQ 生成速率明显提升；而对于 2-氨基苄醇脱氢，Ni 粒径低于 6.0 nm 时，其速率即有所提升(图3，a)。

▲Figure 2. TEM images, HRTEM images, and size distribution of metallicNiparticleforNi-NiAl-LDO prepared by calcination under H₂ atmosphere at 400 ^oCof(a) Ni_1.08Al-LDHs for 1 min, (b) Ni_2.01Al-LDHs for 1h, (c) Ni_2.98Al-LDHs for 1.5h,(d) Ni_3.97Al-LDHs for 2.0h, and (e) Ni_5.03Al-LDHs for 2.5 h.

▲Figure3.(a) Profiles of turnover or product frequency as a function of Ni particle size. (b) ProfilesofNi^δ+/Ni⁰ as a function of Ni particle size. (c) Conversion rate for 2-amino benzyl alcohol/2-amino benzaldehyde and formation rate for THQ vs the ratio ofsurfaceNi^d+ to Ni⁰.

为了探究 Ni 粒径效应的本质，对Ni粒径不同的 Ni-NiAl-LDO 进行了准原位 XPS 表征，发现 Ni 颗粒表面除了存在 Ni⁰ 位之外，还存在表界面 Ni^δ+，并且随着Ni粒径的降低, Ni^δ+/Ni⁰ 比例增高(图3，b)。因此我们推测可能是表界面 Ni^δ+ 与表面 Ni⁰ 之间存在协同效应促进了反应的进行。

为验证这一推测，我们进一步对 Ni 粒径为 5.0 nm 的 Ni-NiAl-LDO 进行了氧气处理，将部分表面 Ni⁰ 转化成 Ni^δ+。发现随着适当量的 Ni⁰ 氧化成 Ni^δ+，催化性能明显提升，但是过量的 Ni⁰ 氧化成 Ni^δ+ 反而不利于反应的进行(图3，c)，说明 Ni^δ+ 与 Ni⁰ 协同催化醇脱氢。

原位红外光谱能够实时有效地获得反应物在活性中心上的活化模式，从而揭示反应机理。因此，我们选取乙醇作为探针分子，进行了原位红外表征(图4)，探究 Ni^δ+与 Ni⁰ 之间的协同。发现 NiAl-LDO 或者Ni^δ+位可以活化乙醇的 O-H 键形成乙氧基，Ni⁰ 断裂乙氧基中的 α-C-H 键形成 Ni-H(1597-1625 cm^-1) 和 acetate(1419-1424 cm^-1) (图4, a-e)。随着粒径增大，Ni^δ+/Ni⁰ 比例降低，acetate 峰强度降低(图4，a-c)。而将部分 Ni⁰ 转化成 Ni^δ+， acetate 峰强度又明显提升(图4，d)，表明 Ni^δ+/Ni⁰ 比例增加，乙醇脱氢性能提升，但是过少的 Ni⁰ 位反而不利于α-C-H断裂，acetate峰强度降低(图4，e)。由此可以得出：Ni^δ+ 和 Ni⁰ 两者协同完成乙醇脱氢过程，即 Ni^δ+ 负责活化 O-H 键形成乙氧基，Ni⁰ 负责断裂 α-C-H 键。吸附在 Ni⁰ 位上的 H 可以有效释放，完成氢转移，部分表面 Ni⁰ 转化成 Ni^δ+ 不影响氢转移(图5)。

▲Figure 4. OperandoFT-IR spectra recorded during the reaction of adsorbed ethanol at 120 °C under vacuum conditions for (a) 3.0nmNi-NiAl-LDO, (b) 5.0nmNi-NiAl-LDO, (c) 7.8nmNi-NiAl-LDO, and 5.0nmNi-NiAl-LDO treated with (d) 2mLand (e) 12mLof O₂. (f) The intensity ratio of acetyl (1576 cm^-1) to type I ethoxy (1070-1073 cm^-1) absorption on Ni^d+ sites as a function of time. Ethanol activation models are shownin the inserts. The red, blue, green, white, gray-blue, and gray spheres and the red dotted circle represent the O, Ni^d+, Ni²⁺, H, Ni⁰, C, and O vacancies, respectively.

▲Figure 5. H₂-TPDprofilesfor 5.0nmNi-NiAl-LDO before (a) and after treatment with 2mL(b) or 12mL (c) of O₂ and (d) on NiAl-LDO.

c．底物拓展

将 5.0 nm 的 Ni-NiAl-LDO 催化剂应用于其它长链醇或者取代的 2-氨基苄醇中，均取得了很好的 THQ 收率(表1)。