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上海交通大學(xué)李新昊教授課題組Angew:Pdδ--H電催化劑可編程胺烷基化

來源:上海交通大學(xué)      2025-03-23
導(dǎo)讀:近日,上海交通大學(xué)李新昊教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可編程的電催化胺烷基化方法,以胺和醛為底物通過Pdδ--H電催化劑實(shí)現(xiàn)了胺的烷基化反應(yīng),從而合成含有兩個(gè)可調(diào)控烷基基團(tuán)和一個(gè)甲基基團(tuán)的烷基胺。同時(shí),該電催化轉(zhuǎn)化過程的法拉第效率(FE)達(dá)到86%-96%,實(shí)驗(yàn)表征與密度泛函理論(DFT)計(jì)算均證明了富電子Pd金屬在將伯胺轉(zhuǎn)化為叔胺過程中的關(guān)鍵作用。

正文

烷基胺作為重要的工業(yè)產(chǎn)品和關(guān)鍵中間體,常被用于染料、香料、農(nóng)藥及藥物的合成。目前,以胺和醛為原料,工業(yè)化一步法合成烷基胺需要使用過量甲醛,并以高壓氫氣作為氫源。然而,該合成策略存在以下局限性:其一,過量甲醛導(dǎo)致難以精準(zhǔn)調(diào)控目標(biāo)烷基胺的選擇性;其二,高壓氫氣的使用伴隨安全性和環(huán)境隱患。因此,開發(fā)溫和可調(diào)控的烷基化方法,并以更安全便捷的氫源(如水)替代高壓氫氣,對(duì)可持續(xù)合成多種烷基胺具有重要意義。

近年來,電化學(xué)加氫反應(yīng)因其以水為氫源的綠色性、良好的原子經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)異的能量利用效率,已成為一種極具吸引力的合成策略。胺的烷基化可為分子設(shè)計(jì)與組裝提供新的平臺(tái),使特定烷基基團(tuán)與胺分子結(jié)合,從而精確調(diào)控生命科學(xué)領(lǐng)域胺類分子的生物學(xué)及藥理學(xué)特性。目前,電化學(xué)方法僅實(shí)現(xiàn)了胺的單甲基化,且法拉第效率不足10%。因此,如何通過電催化手段高效將伯胺轉(zhuǎn)化為仲胺和叔胺,并實(shí)現(xiàn)烷基基團(tuán)的可控引入,仍具有廣闊的研究和應(yīng)用空間。    

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示意圖1. 烷基胺的工業(yè)生產(chǎn)示意圖(上圖)及可編程電催化胺烷基化示意圖(下圖)。          

首先,通過納米限域熱縮合方法合成電子供體氮摻雜碳(NC)載體,并在其表面原位生長Pd納米粒子,構(gòu)筑Pd/NC異質(zhì)結(jié)電催化劑。如圖1a所示,等摩爾量的伯胺與醛可自發(fā)發(fā)生脫水縮合生成亞胺,隨后在Pd/NC電催化劑的作用下加氫轉(zhuǎn)化為仲胺(圖1c),所得仲胺還可進(jìn)一步在Pd/NC電催化劑上烷基化生成叔胺(圖1e)。相比于單獨(dú)的NC載體或Pd/C催化劑,Pd/NC催化劑在電催化胺烷基化反應(yīng)中表現(xiàn)出顯著提升的催化性能,表明NC載體在增強(qiáng)Pd納米粒子的催化活性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在此基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步嘗試通過調(diào)控NC載體優(yōu)化Pd/NC催化劑的催化性能。

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圖1. Pd/NxC電催化劑上環(huán)己胺的電化學(xué)胺烷基化反應(yīng)。

借助金屬Pd和NxC載體(x為氮元素含量)之間的整流接觸,通過調(diào)控NxC載體的N含量可以優(yōu)化Pd金屬中心的電子富集程度。如圖2e-f所示,隨著NC載體中N含量的增加,Pd 3d XPS譜圖峰位置向低結(jié)合能位置偏移且整體催化劑功函值逐漸減小,XPS和功函值結(jié)果表明所負(fù)載Pd納米粒子的富電子性顯著增強(qiáng)。如圖2g-h所示,更富電的Pdδ?(富電子Pd)電催化劑進(jìn)一步提升了胺烷基化性能。

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圖2. Pdδ?催化劑的電子富集效應(yīng)對(duì)電催化胺烷基化反應(yīng)的影響。

原位衰減全反射模式下的表面增強(qiáng)紅外吸收光譜和DFT理論計(jì)算揭示了富電Pd活性中心在促進(jìn)伯胺轉(zhuǎn)化為叔胺過程中的關(guān)鍵作用(圖3和圖4)。富電Pd活性中心首先促進(jìn)水分解生成Pd-H活性物種,隨后分別活化亞胺的C=N鍵以及甲醛的C=O鍵實(shí)現(xiàn)伯胺到仲胺以及仲胺到叔胺的可控轉(zhuǎn)化。同時(shí),DFT理論計(jì)算結(jié)果表明,能量升高的析氫反應(yīng)在富電Pd活性中心上難以發(fā)生,因此保證了胺烷基化反應(yīng)的高法拉第效率。    

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圖3. Pdδ?-H電催化劑上環(huán)己胺單烷基化反應(yīng)機(jī)理及底物伯胺的擴(kuò)展。

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圖4. Pdδ?-H電催化劑上N-甲基環(huán)己胺單烷基化反應(yīng)機(jī)理及底物仲胺的擴(kuò)展。

基于Pd-H活性物種及位阻效應(yīng)的開關(guān)機(jī)制,我們團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了Pdδ?電催化劑在級(jí)聯(lián)可編程胺烷基化中的應(yīng)用(圖5)。在伯胺轉(zhuǎn)化為仲胺的過程中,伯胺可經(jīng)甲醛(左側(cè))或其他醛(右側(cè))自發(fā)脫水縮合生成亞胺,Pd-H通道開啟后進(jìn)一步加氫生成仲胺,若Pd-H通道關(guān)閉,則亞胺穩(wěn)定存在。在仲胺轉(zhuǎn)化為叔胺的過程中,當(dāng)Pd-H通道關(guān)閉時(shí)仲胺保持不變(路徑B和E)。當(dāng)Pd-H通道開啟時(shí),分別生成兩個(gè)新甲基取代的叔胺(路徑A)或一個(gè)甲基和一個(gè)任意烷基取代的叔胺(路徑F)。受位阻效應(yīng)影響,即使施加更高電壓,長鏈烷基(Cn,n≥2)也無法接入仲胺(路徑C和D)。    

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圖5. Pdδ?-H電催化劑上可編程胺烷基化。


總結(jié)與展望

該電化學(xué)合成方法能夠以較高法拉第效率實(shí)現(xiàn)具有兩種可選擇烷基基團(tuán)和一個(gè)甲基基團(tuán)的烷基胺的精確合成,進(jìn)一步拓展了電化學(xué)C-N偶聯(lián)反應(yīng)的范圍,并可能開啟電化學(xué)胺烷基化的新領(lǐng)域。

通訊作者簡介

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李新昊,上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。1999-2009年在吉林大學(xué)學(xué)習(xí),先后獲理學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位,主要從事有機(jī)無機(jī)復(fù)合納米材料的合成及應(yīng)用;2009-2012年在德國馬克斯普朗克研究所膠體與界面研究所從事博士后研究(洪堡學(xué)者),主要研究新型碳基復(fù)合材料在能源相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。2013年1月開始任上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院特別研究員;2014年上海高校“東方學(xué)者”特聘教授;2015年上海市青年科技啟明星;2017年國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者。創(chuàng)制了系列異質(zhì)結(jié)不對(duì)稱電子界面催化材料,拓展電子界面催化材料在有機(jī)合成、光催化、電催化等催化重要領(lǐng)域的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了催化活性與穩(wěn)定性的協(xié)同提升,為高效催化材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了新路徑。

文獻(xiàn)詳情:

Programmable Mono-/di-alkylation of Amines with Aldehydes over a Pdδ?–H Electrocatalyst

Si-Yuan Xia?, Shi-Nan Zhang?, Dong Xu, Bing-Liang Leng, Kai-Yuan Lu, Jie-Sheng Chen, Xin-Hao Li*    

Angew. Chem., Int. Ed.2025, DOI: 10.1002/anie.202425622

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202425622

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