通过亚纳米级的钴簇实现烷基醇直接有氧脱氢环化生成嘧啶

《Journal of Catalysis》：Direct aerobic dehydrocyclization of alkyl alcohols to pyrimidines enabled by subnanometric Co clusters

SiO?修饰的钴亚纳米催化剂Co@NC-SiO?-50实现醇类、亚胺及芳基乙烷醇的一步多组分氧化脱氢环化合成吡啶，DFT计算表明亚纳米钴团簇活性优于单原子位，SiO?调控电子结构促进氧化活化及环化步骤，具有高原子经济性和宽底物适用性。

　　

杨超|蒋芳|郭萍璐|林亚梅|张星

南京师范大学食品科学与制药工程学院，中国南京210023

摘要

使用非贵金属催化剂通过烷基醇的 aerobic dehydrocyclization 合成嘧啶仍然具有挑战性，因为这些丰富原料的 C–H 键强度很高。在此，我们报道了一种嵌入氮掺杂碳中的 SiO₂ 改性的亚纳米钴催化剂（Co@NC-SiO₂-50），用于烷基醇、胺和 1-芳基乙醇的 aerobic dehydrogenative cyclization，实现了嘧啶的一步多组分合成。控制实验和密度泛函理论（DFT）计算证实，亚纳米钴簇比孤立的单原子位点更具活性。SiO₂ 的引入形成了富电子的亚纳米钴簇，增强了烷基醇的氧化活化及后续的环化步骤。该方法使用 O₂ 作为氧化剂和可回收的非贵金属催化剂，同时具有高步骤经济性和广泛的底物范围，展示了烷基醇增值转化的巨大潜力。

引言

烷基醇，特别是甲醇和乙醇，年产量超过 1 亿吨，是一类广泛可用、低成本的可再生碳资源 [1]，[2]，[3]。将它们高效升级为高附加值产品对于化学工业的可持续发展至关重要 [4]，[5]。一个显著的应用是作为烷基化剂，通过脱氢缩合反应构建 C–C 和 C–N 键，用于精细化学品和药物中间体的合成 [6]，[7]，[8]，[9]，[10]。基于此，烷基醇在精确合成含氮杂环化合物方面展现出巨大潜力，因为它们能够依次构建 C–C 和 C–N 键，然后进行环化，为构建杂环骨架提供了一条原子经济且步骤高效的途径 [1]，[11]，[12]，[13]，[14]。

嘧啶是典型的含氮杂环化合物，构成了许多药物和功能分子的核心骨架，因此其高效和可持续的合成成为化学和药物研究的重点 [15]，[16]，[17]，[18]。经典的嘧啶合成方法涉及胺与各种试剂（如 1,3-二羰基化合物、α, β-不饱和酮或炔酮）之间的反应 [19]，[20]，[21]。这些方法存在条件苛刻、依赖需要多步合成的起始材料以及原子经济性低的问题。最近的研究侧重于使用容易获得的醇作为起始材料，通过三组分途径依次构建 C–C 和 C–N 键，然后与胺进行环化。大多数这些方法依赖于均相金属配合物 [22]，[23]，[24] 或异相贵金属催化剂 [25]，[26]。从成本和工业化的角度来看，异相非贵金属催化剂无疑更具优势。此外，由于烷基醇的 C–H 键解离能较高，涉及烷基醇的研究非常有限 [27]。迄今为止，仅有一种基于光催化系统的报道，使用 KPCN 作为异相催化剂从甲醇合成嘧啶 [28]。

从烷基醇合成嘧啶的挑战在于需要成功活化醇的 C–H 键，并实现随后的 C–C/C–N 键形成和环化，这需要多个活性位点的协同作用 [29]。在这方面，亚纳米簇催化剂因其高度可调的电子结构、丰富的紧密连接且高度暴露的活性位点而成为有前景的候选者 [30]，[31]，[32]，[33]。因此，我们设想开发基于非贵金属的亚纳米簇，以实现从烷基醇一步多组分合成嘧啶。

在这项工作中，制备了一种嵌入氮掺杂碳中的 SiO₂ 改性的钴纳米簇催化剂（Co@NC-SiO₂-50），用于催化烷基醇与胺的 aerobic dehydrogenative cyclization，从而实现高效的嘧啶合成。通过控制实验和密度泛函理论（DFT）计算证实，亚纳米钴簇比孤立的单个钴原子位点更具活性。SiO₂ 的引入调节了碳载体的石墨化程度和钴物种的电子结构，形成了富电子的亚纳米钴簇。这些特性显著增强了烷基醇的氧化活化及后续的环化步骤。因此，这项工作扩展了烷基醇在杂环合成中的应用，并展示了亚纳米簇在活化及后续催化转化烷基醇方面的效率。

部分内容片段

CoZn@BZIF 的制备

首先，将 2-甲基咪唑（24 mmol）和苄胺（24 mmol）溶解在 80 mL 去离子水中，形成溶液 A。同时，将 Zn(NO₃)₂·6H₂O（6 mmol）和 Co(NO₃)₂·6H₂O（0.12 mmol）溶解在 80 mL 去离子水中，得到溶液 B。随后，在室温下将溶液 B 加入溶液 A 中。然后在室温下剧烈搅拌 4 小时。之后，离心并用去离子水和甲醇洗涤。最后，分离出固体。

催化剂表征

CoZn@BZIF-SiO₂ 是通过在水中自组装 2-甲基咪唑、苄胺、Co(NO₃)₂·6H₂O、Zn(NO₃)₂·6H₂O 和四乙基正硅酸盐（TEOS）制备的（图 1）。苄胺的作用是作为添加剂，调节 ZIFs 的形态和大小，生成更小且更均匀的颗粒 [34]。同时，SiO₂ 由 TEOS 生成并覆盖在 ZIF 颗粒上。经过 CoZn@BZIF-SiO₂ 的煅烧后，得到了 Co@NC-SiO₂-50。ICP-OES 分析显示...

结论

总结来说，我们开发了一种可持续的策略，通过烷基醇、1-芳基乙醇和胺的 aerobic dehydrogenative cyclization 合成嘧啶，该策略得益于 SiO₂ 改性的亚纳米钴簇催化剂（Co@NC-SiO₂-50）。DFT 结果证实，亚纳米钴簇比单原子位点更容易活化甲醇。SiO₂ 的引入促进了碳的石墨化并调节了钴的电子结构，形成了富电子的钴簇，从而提高了...

CRediT 作者贡献声明

杨超：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，形式分析，数据管理。蒋芳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，形式分析，数据管理。郭萍璐：形式分析。林亚梅：撰写 – 审稿与编辑，监督，研究，数据管理。张星：撰写 – 审稿与编辑，研究，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金（U25D9012）、江苏省碳达峰和碳中和科技创新专项（资助编号 BE2025014）以及 江苏省高等学校自然科学研究项目（资助编号：24KJB530018）的支持。