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Nat. Catal.:腈催化氢化成胺,一定要试试Fe/Fe

Nat. Catal.:腈催化氢化成胺,一定要尝尝Fe/Fe-O@SiO2催化体系

催化剂的显现为化学化工规模乃至人类社会的展开都起到了极大的敦促做用。据统计,家产消费中将近90%的反馈取催化历程有关,并且催化历程间接或曲接的奉献了全世界GDP的35%。而且,有机分解化学正在已往100年里所得到的弘大展开,可以说也次要得益于适宜催化剂(如:金属共同物、非均相催化剂等)的发现和使用。正在催化加氢反馈中,腈向伯胺的转化极具价值,那是因为伯胺是化学、制药、农用化学品和资料家产中的重要前体和焦点中间体。自1905年初度发现镍催化苯甲腈加氢后,很多催化剂被陆续开发并用于该反馈和相关反馈中(图1)。只管如此,目前家产上用于腈加氢的最先进催化剂依然是Raney镍和亚铬酸铜,它们但凡须要苛刻的反馈条件并存正在毒性问题。

图1. 非均相腈氢化催化剂的展开汗青。图片起源:Nat. Catal.


为理处置惩罚惩罚那些问题,连年来相继报导了代替的镍基和钴基非均相催化剂。相比之下,铁的地壳储质富厚、价格低廉且毒性低,或者能成为腈加氢的抱负催化剂。近日,德国莱布尼茨催化钻研所Rajenahally V. Jagadeesh教授和Matthias Beller教授取捷克帕拉茨基大学Radek Zbořil教授和Manoj B. Gawande教授团队竞争,报导了一种不乱、可重复运用的铁基纳米催化剂——Fe/Fe-O@SiO2(图2),后者是通过醋酸铁(II)正在市售二氧化硅上的浸渍和热解制备而成。该催化剂不只具有明白的构造,而且正在催化质铝添加剂的存正在下能够有效地促进各类腈类化折物的氢化。相关成绩颁发正在Nature Catalysis 上。

图2. 催化剂的制备。图片起源:Nat. Catal.


为了确定用于腈加氢的潜正在铁基非均相催化剂,做者制备了一系列负载正在各类载体(如:Vulcan XC72R碳粉、Aerosil二氧化硅(SiO2)、γ-Al2O3和MgO)上的铁纳米粒子,并选择4-氯苄腈(1)的氢化为基准反馈以探索其催化机能,结果显示Fe(OAc)2-SiO2-800能以26%的产率和>90%的选择性与得4-氯苄胺(2,图3)。为了进步转化率和产率,做者扭转了反馈条件(温度、溶剂、催化剂负载质)并钻研了添加剂的影响。风趣的是,正在催化质三异丙醇铝的存正在下,4-氯苄胺(2)的产率显著进步至96%;而添加重价铝箔则能以濒临定质的产率与得产物2,那可能是因为三异丙醇铝和铝箔正在反馈条件下都能转化为活性Lewis酸助催化剂,后者可以活化氰基。相比之下,其他负载型催化剂(如:Fe(OAc)2-C-800、Fe(OAc)2-Al2O3-800、Fe(OAc)2-MgO-800)即便正在劣化条件下也没有任何活性;而Fe(OAc)2-SiO2-600和Fe(OAc)2-SiO2-1000则暗示出取Fe(OAc)2-SiO2-800相当的活性,产率划分为93%和94%。另外,做者还制备了杂无定形Fe2O3纳米颗粒(NPs)、铁橄榄石(Fe2SiO4)NPs和具有很是薄氧化壳的无基量Fe-Fe2O3核壳NPs,并钻研了它们的催化机能。结果显示铁橄榄石和Fe2O3 NPs彻底没有活性,而 Fe-Fe2O3核壳NPs的产率为30%,那进一步证明了Fe-Fe2O3核壳超构造正在激发催化历程中的要害做用。

图3. Fe催化剂的评价。图片起源:Nat. Catal.


接下来,做者对活性最高的催化剂Fe(OAc)2-SiO2-800停行了具体的表征。TEM阐明提醉了具有球状和棒状状态的核壳构造(图4a-c);而HRTEM图像则证明了催化剂的金属局部是由从SiO2基量发展的α-Fe核构成的(图4d)。事真上,高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和元素映射图像清楚地证明了Fe核纳米粒子是从SiO2基量中发展出来的(图4f-i),并被一层几多纳米厚(< 5 nm)的超薄氧化铁笼罩。其次,做者还操做PXRD、Mössbauer光谱、X-射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)光谱对Fe/Fe-O@SiO2催化剂的化学和构造特征停行了阐明,进一步证明了该催化剂是由SiO2基量、铁橄榄石界面(Fe2SiO4)和从SiO2基量发展的α-Fe-无定形Fe2O3核壳纳米颗粒构成,后者代表了参取催化历程的外表活性相。

图4. Fe(OAc)2-SiO2-800的TEM和HRTEM成像。图片起源:Nat. Catal.


借助活性铁基催化剂(Fe/Fe-O@SiO2),做者证真了其对各类腈类化折物选择性加氢的普适性(图5)。只管大大都反馈运用铝箔为添加剂,但正在三异丙醇铝存正在下停行的斗劲实验获得了相似的产率。首先,做者考查了芳香腈化折物,结果显示芳基、烷基、氨基以及卤素替代的苯甲腈均能兼容该反馈,以高达97%的产率获得相应的伯胺(3-18),此中氨基和卤素替代的苄胺是有机分解以及药物分子和农用化学品中的通用中间体。须要指出的是,即便底物中存正在更具挑战性的炔基、酯基、硼酸酯、酰胺、醚、三氟甲氧基和硫醚基团,该催化剂也能选择性地将氰基氢化(19-30)。另外,当苯甲腈的苯环上带有多个替代基时,同样以高选择性将氰基回复复兴为相应的苄胺(31-46),产率高达95%。其次,鉴于纯环胺是制药和农业化工止业中的多罪能中间体,因而做者考查了氰基替代的纯环化折物(如:喹啉、吲哚、吡咯、苯并二氧戊环、苯并二噁烷、呋喃、吗啉和酞烷等),结果显示那些化折物都可顺利地停行选择性氢化,并以65-94%的产率获得相应的纯环胺(47-56)。

图5. 底物领域钻研之一。图片起源:Nat. Catal.


取芳香腈相比,脂肪腈的氢化但凡更具挑战性。风趣的是,Fe/Fe-O@SiO2催化剂正在雷同条件下对脂肪腈底物(蕴含二腈)暗示出高活性和选择性。如图6所示,几多种苄基氰化物均能以极好的产率获得相应的伯胺(57-72)。只管3-(芳基氨基)丙腈是由苯胺和丙烯腈制备而成,但此类底物的氢化却很艰难,因为可能会发作逆Michael加成。相比之下,那类化折物正在原文的条件下却能顺利氢化,以高达85%的产率获得相应的伯胺(70-72)。最后,做者考查了一系列脂肪族腈类化折物,结果显示Fe/Fe-O@SiO2对那些底物也暗示出劣秀至劣良的活性和选择性(73-78),出格是5-己烯腈的选择性回复复兴(78)。值得留心的是,该办法还能真现己二腈的间接氢化,以85%的产率获得消费尼龙66的要害本料六亚甲基二胺(79)。类似地,其他二胺也能以90-95%的产率与得(8081)。

图6. 底物领域钻研之二。图片起源:Nat. Catal.


如图7所示,原文的催化剂还能以高选择性真现脂肪腈的氢化,从而以劣良的产率(95-97%)制备了七种差异的长链脂肪胺(82-88)。为了进一步证真Fe催化剂的折罪效用和真用性,做者停行了克级范围制备,此中催化剂范围抵达12 g,腈加氢方案抵达20 g。无论制备范围如何(1-12 g),所有的Fe催化剂都暗示出相似的活性和选择性。类似地,20 g范围腈加氢反馈与得的转化率和产率取100 mg小范围反馈与得的转化率和产率相似。最后,做者正在彻底转化和半转化时钻研了催化剂回支,发现Fe/Fe-O@SiO2催化剂可以重复运用到第四轮,之后则不雅察看到产率下降;而正在14 h的半转化率下停行的回支测试则显示从第三次运止初步活性下降。

图7. 底物领域钻研之三。图片起源:Nat. Catal.


总结


原文报导了腈加氢的非均相铁基催化剂的开发。其要害之处正在于运用笼罩有超薄无定形氧化铁(III)壳(Fe/Fe-O@SiO2)的二氧化硅负载的Fe纳米粒子。那些核壳纳米粒子通过将醋酸铁(II)简略地浸渍正在商业二氧化硅上并随后正在回复复兴条件下热解制备而来。该催化剂不只具有低老原、绿色环保、易回支等劣点,而且还暗示出高化学选择性,可用于官能团化和构造多样的芳香族、纯环和脂肪族腈类化折物的氢化,从而孕育发作相应的伯胺。


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Silica-supported Fe/Fe-O nanoparticles for the catalytic hydrogenation of nitriles to amines in the presence of aluminium additives

Vishwas G. Chandrashekhar , Thirusangumurugan Senthamarai, Ravishankar G. Kadam , Ondřej Malina, Josef Kašlík, Radek Zbořil , Manoj B. Gawande , Rajenahally V. Jagadeesh , Matthias Beller

Nat. Catal.2022, DOI: 10.1038/s41929-021-00722-x


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2023-11-19 18:20  阅读量:50