JACS封面：突破难题！华南理工大学创新性成果登刊！

在各种邻二胺化合物中，乙烷-1,2-二胺是一类非常重要的化合物，因为它经常被用作合成生物医药分子、化学传感器和功能材料，包括聚酰胺纤维的关键原料。此外，这类化合物还可以作为树脂的固化剂、催化剂和金属有机化学的双齿配体，以及制备N-杂环卡宾(NHC)配体的关键前体。因此，人们对相关化合物的合成非常关注。相比之下，选择性和多样性地构建N,N’-二芳基乙烷-1,2-二胺至今仍然是一个挑战。

鉴于此，近日由华南理工大学化学与化工学院张珉教授课题组在定向还原偶联反应方面取得重要研究进展，在国际化学领域顶级期刊 《Journal of the American Chemical Society》 上发表了题为 “Reductive Coupling of Nitroarenes and HCHO for General Synthesis of Functional Ethane-1,2-diamines by a Cobalt Single Atom Catalyst” 的研究成果。

该研究通过设计制备双功能单原子钴催化剂，成功实现了大宗化学品硝基芳烃和甲醛的定向还原偶联反应，解决了对称和非对称N,N’-二芳基二乙胺的直接、选择性、多样化合成这一难题。该合成法具有操作简便、原子和步骤经济性高、底物和官能团兼容性好、催化剂具有优异的可重复使用性、一步操作即可形成多重C-C和C-N键等特点。机理研究表明，催化剂中氮锚固的钴单原子负责反应的还原过程、富电子氮掺杂碳则吸附富集甲醛以及时捕获原位产生的羟胺中间体，该协同过程可有效促进关键中间体硝酮的生成，硝酮与进一步还原的亚胺中间体经反电子需求的1,3-偶极环加成、氢化开环、氢化脱氧反应而实现产物的构建。

乙二胺是一类极其重要的化合物，经常被用来开发生物医药活性分子、化学传感器、树脂固化剂、有机小分子催化剂、金属配体，该类物质亦是制备N-杂卡宾(NHC)的关键前体。至今，虽然已有众多方法可实现乙二胺的制备，但N,N’-二芳基乙二胺的选择性和多样性构建仍缺少行之有效的方法。通常，该类物质可通过苯胺和1,2-二卤乙烷的亲核取代(图1a1)、苯胺与草醛还原胺化(图1a2)、乙二胺与芳基卤的偶联反应(图1a3)来实现合成。然而，这些偶联策略因存在很难控制产物氮原子上的芳基个数、易发生脱羰和脱卤、底物二聚产生哌嗪副产物、催化剂难重复等问题，故有关N,N’-二芳基乙二胺的应用备受限制。作为一类重要的合成子，亚胺碳取代的硝酮与烯烃通过1,3-偶极环加成（1,3-DC）已被广泛地用于多类功能有机分子的构建。此外，一例硝酮与缺电子亚胺的正电子需求1,3-DC反应已见诸报道（图1b）。然而，亚胺碳不含取代基的硝酮因其稳定性差等原因，其化学转化尚未探究。

图1：N,N’-二芳基乙二胺的现有合成法及其构建新策略

研究还通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、球差电镜（AC-HAADF-STEM）等对Co _SA - N/NC催化剂进行了表征（图2a,b），结果表明：Co _SA -N/NC催化剂由原子级分散的钴物种组成，没有明显的钴纳米颗粒生成。同步辐射X射线吸收光谱（XAS）表明每个Co原子平均与四个N原子配位并锚定在碳载体上（图2c,d）。

图2：催化剂Co _SA -N/NC的表征

经充分的控制实验和中间体鉴定研究表明：硝酮和亚胺是反应进行的关键，同时排除苯胺和乙二醛中间体的可能性。Co _SA - N/NC催化剂、HCOOH和DBU对于乙二胺的形成都是必不可少的。模板反应中断实验验证：反应中间体为硝酮int-2、亚胺int-3、成环产物int-4和开环化合物int-5（图5）。基于这些事实，作者提出该反应产物形成的可能路径：Co _SA - N/NC催化分解甲酸生成具有还原性的吸附氢物种，该物种将硝基芳烃还原为羟胺int-1；被富电子氮掺杂碳吸附富集的甲醛及时捕获羟胺生成氮羟基亚胺盐int-2’；在碱性条件下，int-2’倾向于生成硝酮int-2，int-2与进一步还原的亚胺int-3进行反电子需求的1,3-偶极环加成反应得到中间体int-4；int-4经催化加氢开环后生成N-羟基乙二胺int-5；int-5经进一步催化还原脱氧产生目标产物N,N’-二芳基二乙胺。在该过程中，碱的存在扮演了关键角色，不仅可以促进硝酮的生成，而且可以抑制产物和甲醛缩合生成咪唑啉副产物。

综上所述，该研究通过设计制备双功能单原子钴催化剂，成功实现了大宗化学品硝基芳烃和甲醛的定向还原偶联反应，解决了对称和非对称N,N’-二芳基二乙胺的直接、选择性、多样化合成这一难题。 该合成法具有操作简便、原子和步骤经济性高、底物和官能团兼容性好、催化剂具有优异的可重复使用性、一步操作即可形成多重C-C和C-N键等特点。 机理研究表明，催化剂中氮锚固的钴单原子负责反应的还原过程、被富电子氮掺杂碳富集的甲醛及时捕获羟胺中间体，该协同过程可有效促进关键中间体硝酮的生成，硝酮与进一步还原的亚胺中间体经反电子需求的1,3-偶极环加成、氢化开环、氢化脱氧反应而实现产物的构建。

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