以石墨化碳氮化物为载体的锰催化剂，通过双氢自转移反应实现仲醇与伯醇的β-烷基化

《Journal of Catalysis》：Graphitic carbon nitride supported manganese catalyst for β-alkylation of secondary alcohols with primary alcohols via double hydrogen autotransfer

通过石墨相氮化碳负载锰氧化物异质催化剂，实现了二级醇与一级醇的β-烷基化反应，采用双氢自转移机制，产物为烷基化醇类。该催化剂高效稳定，适用于多种取代芳香和脂肪醇的耦合，且可在温和条件下实现胆固醇的选择性β-烷基化，克级合成产率达92%，仅水为副产物。

　　

Mohd Farhan Ansari | Rashmi Yadav | Rosy | Saravanakumar Elangovan

印度北方邦瓦拉纳西印度理工学院（BHU）化学系，邮编221005

摘要

本文报道了一种利用碳氮化物制备的基于二氧化锰的异相催化剂，通过双氢原子转移途径实现仲醇与伯醇的直接β-烷基化反应。这种成本低廉、稳定性高且可回收的锰催化剂对各种取代芳香醇和脂肪醇的偶联具有优异的反应性和官能团耐受性。此外，该催化系统能够实现大规模合成，并选择性地进行胆固醇的β-烷基化。

引言

碳-碳（C–C）键的形成是有机合成领域中最关键的反应之一[1]、[2]、[3]。传统方法需要使用有机亲电试剂或有机金属偶联剂以及过量的碱，这会导致大量有害化学物质或副产物的产生，从而对环境造成负面影响[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。近年来，人们对更环保的有机合成方法产生了兴趣，特别是通过氢原子借用或氢原子转移策略来构建C–C和C–N键[9]、[10]、[11]、[12]。值得注意的是，这种方法使用廉价、丰富的生物质来源的醇作为烷基化试剂，唯一的副产物是水。在过去十年中，已有大量关于基于过渡金属的催化剂用于胺的N-烷基化和酮的C-烷基化的研究[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。

确实，已经探索了多种基于贵金属[18]、[19]、[20]、[21]、[22]和非贵金属[13]、[14]、[23]、[24]的均相和异相催化剂，用于仲醇与伯醇的烷基化反应。近年来，由于锰的丰富性和低成本[15]、[25]、[26]，基于锰的催化剂在氢原子借用方面引起了广泛关注。已有报道指出，锰催化剂可以用于仲醇与伯醇的偶联，生成α-烷基化酮[27]、[28]、[29]、[30]。然而，通过双氢原子转移实现仲醇与伯醇的直接β-烷基化反应的研究还较少[31]、[32]、[33]。该反应包括三个步骤：(i) 伯醇和仲醇脱氢生成羰基化合物；(ii) 醛醇缩合生成α, β-不饱和酮；(iii) 通过氢原子转移进行双氢化，最终得到β-烷基化醇（示意图1a）。值得注意的是，所需的烷基化醇产物是多种重要药物分子合成的中间体（示意图1b）。

首次利用锰催化剂通过双氢原子转移实现仲醇与伯醇的β-烷基化反应是由Yu及其同事报道的（示意图2a）。他们使用二齿锰(I)配合物(Mn1)在N₂气氛下、110°C条件下、30 mol%的t-BuOK存在下，以2.1 mol%的催化剂浓度反应24小时，获得了92%的β-烷基化醇产率[31]。随后，Rueping及其团队以及Kumar及其团队也独立进行了类似的研究[32]、[33]。

尽管均相锰催化剂取得了成功，但它们也存在一些缺点，如(i) 需要昂贵的锰(I)前体和配体；(ii) 催化剂难以回收；(iii) 反应需要惰性气氛。这些缺点限制了它们在精细化工和制药工业中的广泛应用[34]、[35]。

因此，设计基于锰的异相催化剂对于解决上述问题具有重要意义。已有报道指出，MnO₂@PDCS（PDCS = 聚2,4-二氯苯乙烯）基异相催化剂可以在NaOH存在下、110°C条件下实现仲醇与伯醇的β-烷基化，生成饱和酮[27]。然而，目前尚无基于锰的异相催化剂能够通过双氢原子转移实现仲醇与伯醇的β-烷基化，生成饱和醇作为产物。在本研究中，我们开发了一种可回收、空气稳定的碳氮化物（gCN）负载的异相锰催化剂，用于高效地实现仲醇与伯醇的β-烷基化（示意图2b）。

gCN.Mn_xO_y催化剂的合成

氮掺杂的碳框架（如碳氮化物（gCN）越来越多地被用作异相催化剂或无金属催化剂的支撑材料，用于氧化和氢化等反应[36]、[37]、[38]、[39]。这得益于其独特的性质，包括高氮含量（提供有效的电子捐赠位点）、二维层状结构以及半导体特性。为了利用gCN框架，需要研究不同的gCN.Mn组合

结论

总之，我们成功开发了一种新型的3:7 gCN.Mn_xO_y异相催化剂，并通过扫描电子显微镜、XPS、FT-IR和X射线衍射对其进行了表征。该催化剂在温和条件下通过双氢原子转移机制实现了仲醇与伯醇的直接β-烷基化，唯一副产物是水，表现出优异的反应性和稳定性。此外，该催化剂对芳香醇上的不同官能团也具有良好的耐受性。

CRediT作者贡献声明

Mohd Farhan Ansari：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、数据整理。 Rashmi Yadav：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、实验研究、数据分析。 Rosy：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、实验指导、资源协调、方法学设计、资金申请、数据整理。 Saravanakumar Elangovan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、实验指导、资源协调、方法学设计、资金申请、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

M. F. A. 和 R.Y. 感谢印度理工学院（BHU）和MHRD提供的研究奖学金。S. E. 感谢印度科学与工程研究委员会（SERB）提供的启动研究经费（SRG/2023/000181），以及印度理工学院（BHU）提供的挑战性研究经费。我们还要感谢印度理工学院（BHU）的中央仪器设施提供的测试支持。