腈催化氢化成胺，一定要试试Fe/Fe-O@SiO2催化体系
催化剂的出现极大地推动了化学工业乃至人类社会的发展。据统计，工业生产中近90%的反应与催化过程有关，催化过程直接或间接地贡献了世界GDP的35%。而且，有机合成化学在过去100年中的巨大发展可以说主要归功于合适催化剂（如金属配合物、非均相催化剂等）的发现和应用。在催化加氢反应中，腈转化为伯胺具有极高的价值，因为伯胺是化工、医药、农化和材料工业中的重要前体和核心中间体。自1905年首次发现镍催化加氢苯腈以来，许多催化剂已被开发并用于此反应和相关反应（图1）。尽管如此，工业上腈加氢最先进的催化剂仍然是雷尼镍和亚铬酸铜，它们通常需要苛刻的反应条件并且存在毒性问题。
图1. 非均相腈加氢催化剂的发展历史。图片来源：Nat. Catal.
为了解决这些问题，近年来陆续报道了替代性的镍基、钴基非均相催化剂。相比之下，铁的地壳储量丰富、价格低廉、毒性小，可能是腈类加氢的理想催化剂。近日，德国莱布尼茨催化研究所V.教授与捷克帕拉茨基大学Radek Zbořil教授和Manoj B.教授合作，报道了一种稳定、可重复使用的铁基纳米催化剂Fe/Fe-O@SiO2（图2），该催化剂通过在市售二氧化硅上浸渍和热解醋酸铁（II）制备而成。该催化剂不仅结构明确，而且在催化量的铝添加剂存在下能有效促进多种腈类化合物的加氢反应，相关结果发表在。
图 2. 催化剂制备。图片来源：Nat. Catal.
为了寻找用于腈加氢的潜在 Fe 基非均相催化剂，作者制备了一系列负载在不同载体（例如 XC72R 碳粉、二氧化硅 (SiO2)、γ-Al2O3 和 MgO）上的 Fe 纳米粒子，并选择 4-氯苯甲腈 (1) 的加氢作为基准反应来探索它们的催化性能。结果表明，Fe(OAc)2-SiO2-800 可以以 26% 的产率和 >90% 的选择性生成 4-氯苄胺 (2)。为了提高转化率和产率，作者改变了反应条件（温度、溶剂、催化剂负载量）并研究了添加剂的影响。 有趣的是，在催化量的三异丙醇铝存在下，4-氯苄胺（2）的产率显著提高至 96%，而加入廉价的铝箔可使产物 2 的产率接近定量，这可能是因为三异丙醇铝和铝箔在反应条件下均可转化为活性路易斯酸助催化剂，从而激活氰基。相比之下，其他负载型催化剂（例如 Fe(OAc)2-C-800、Fe(OAc)2-Al2O3-800、Fe(OAc)2-MgO-800）即使在优化条件下也无活性；而 Fe(OAc)2-SiO2-600 和 Fe(OAc)2-SiO2-1000 的活性与 Fe(OAc)2-SiO2-800 相当，产率分别为 93% 和 94%。 此外，作者还制备了纯非晶态的Fe2O3纳米粒子（NPs）、铁橄榄石（）NPs和无基质的具有极薄氧化物壳的Fe-Fe2O3核壳NPs，并研究了它们的催化性能。结果表明，铁橄榄石和Fe2O3 NPs完全无活性，而Fe-Fe2O3核壳NPs的产率为30%，进一步证实了Fe-Fe2O3核壳超结构在引发催化过程中的关键作用。
图 3. Fe 催化剂的评估。图片来源：Nat. Catal。
接下来，作者详细描述了活性最高的催化剂 Fe(OAc)2-SiO2-800。TEM 分析显示，该催化剂具有球形和棒状形态的核壳结构（图 4a-c），而 HRTEM 图像证实，催化剂的金属部分由从 SiO2 基质中生长的 α-Fe 核组成（图 4d）。事实上，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实，Fe 核纳米粒子从 SiO2 基质中生长（图 4f-i），并被一层厚度为几纳米（< 5 nm）的超薄氧化铁层覆盖。 其次，作者还利用PXRD、Mö谱、X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)谱分析了Fe/Fe-O@SiO2催化剂的化学和结构特征，进一步证实了该催化剂由SiO2基质、铁橄榄石界面()和从SiO2基质上生长出来的α-Fe-非晶态Fe2O3核壳纳米粒子组成，后者代表参与催化过程的表面活性相。
图 4. Fe(OAc)2-SiO2-800 的 TEM 和 HRTEM 图像。图片来源：Nat. Catal。
利用活性铁基催化剂（Fe/Fe-O@SiO2），作者证明了其对各种腈化合物选择性加氢的普适性（图5）。虽然在大多数反应中都使用了铝箔作为添加剂，但在三异丙醇铝存在下的对照实验也得到了相似的产率。首先，作者研究了芳香族腈化合物，结果表明芳香族、烷基、氨基和卤素取代的苯甲腈与该反应兼容，得到相应的一级胺（3-18），产率高达97%，其中氨基和卤素取代的苄胺是有机合成以及药物分子和农用化学品中用途广泛的中间体。值得注意的是，即使在底物中存在更具挑战性的炔基、酯基、硼酸酯基、酰胺基、醚基、三氟甲氧基和硫醚基团的情况下，该催化剂也可以选择性地加氢氰基（19-30）。 此外，当苯腈的苯环上有多个取代基时，氰基也可高选择性地还原为相应的苄胺（31-46），产率可达95%；其次，由于杂环胺是医药、农药工业中用途广泛的中间体，作者研究了氰基取代的杂环化合物（如喹啉、吲哚、吡咯、苯并二氧戊环、苯并二氧六环、呋喃、吗啉和邻苯二甲烷），结果表明这些化合物可成功选择性加氢得到相应的杂环胺（47-56），产率为65-94%。
图 5. 底物范围研究 1。图片来源：Nat. Catal.
与芳香腈相比，脂肪腈的加氢通常更具挑战性。有趣的是，在相同条件下，Fe/Fe-O@SiO2催化剂对脂肪腈底物（包括二腈）表现出高活性和选择性。如图6所示，几种苄基氰化物以优异的产率生成相应的伯胺（57-72）。虽然3-（芳氨基）丙腈是由苯胺和丙烯腈制备的，但由于可能发生逆加成，此类底物的加氢很困难。相反，此类化合物可以在本文描述的条件下顺利加氢，得到相应的伯胺（70-72），产率高达85％。最后，作者研究了一系列脂肪腈，并表明Fe/Fe-O@SiO2对这些底物（73-78）也表现出良好至优异的活性和选择性，尤其是对5-己烯腈（78）的选择性还原。 值得注意的是，该方法还实现了己二腈直接加氢，以 85% 的产率生成六亚甲基二胺 (79)，六亚甲基二胺是生产尼龙 66 的关键原料。同样，其他二胺的产率也达到 90–95%（80 和 81）。
图 6. 底物范围研究 2。图片来源：Nat. Catal。
如图 7 所示，本文描述的催化剂还能高选择性地氢化脂肪腈，以优异的产率（95-97%）制备了七种不同的长链脂肪胺（82-88）。为了进一步证明 Fe 催化剂的合成效用和实用性，进行了克级制备，催化剂规模高达 12 g，腈氢化方案高达 20 g。无论制备规模如何（1-12 g），所有 Fe 催化剂都表现出相似的活性和选择性。同样，在 20 g 规模下获得的腈氢化反应的转化率和产率与在 100 mg 规模下获得的转化率和产率相似。最后，研究了完全转化和半转化下的催化剂回收率，发现 Fe/Fe-O@SiO2 催化剂可重复使用至第四次运行，之后产率有所下降；而在 14 小时的半转化率下进行的回收测试表明，从第三次运行开始活性有所下降。
图 7. 底物范围研究 3。图片来源：Nat. Catal。
总结
本文报道了一种用于腈加氢的非均相铁基催化剂的开发。其关键在于使用覆盖有超薄非晶态氧化铁（III）壳的二氧化硅负载的铁纳米粒子（Fe/Fe-O@SiO2）。这些核壳纳米粒子的制备方法是将乙酸铁（II）简单地浸渍在商用二氧化硅上，然后在还原条件下进行热解。该催化剂不仅具有成本低、绿色环保、易于回收利用的优点，而且具有较高的化学选择性，可用于功能化和结构多样的芳香族、杂环族和脂肪族腈的加氢以生成相应的伯胺。
- Fe/Fe-O 为
G. ，，G. Kadam，Ondřej，Josef Kašlík，Radek Zbořil，Manoj B.，V.，
纳特。 Catal.，2022，DOI：10.1038/-021-00722-x