Elucidating the Critical Role of Water in Selective Hydrogenation of N ‐heterocycles on a Cobalt Catalyst

催化作用 选择性 喹啉 化学 溶剂 组合化学 相(物质) 有机化学
作者
Wanbing Gong,Jingyi Pang,Dongdong Wang,Guangyu Chen,Xin Mao,Xue Lu Wang,Ran Long,Aijun Du,Yujie Xiong
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (50): e202514038-e202514038
标识
DOI:10.1002/anie.202514038
摘要

Abstract The ambiguous role of water as a solvent in regulating liquid‐phase hydrogenation activity and selectivity is of great significance to modern organic synthesis, yet remains challenging to identify. Here, we present a carbon‐coated cobalt nanoparticle catalyst with a high number of functional groups, synthesized using a simple approach. This catalyst exhibits exceptional water‐promoted N ‐heterocycle hydrogenation activity and selectivity. Remarkably, 100% quinoline conversion and >99% 1,2,3,4‐tetrahydroquinoline selectivity can be achieved at 100 °C and 0.5 MPa H 2 , surpassing the performance of most reported heterogeneous catalysts. Using a combination of advanced mass spectrometry, nuclear magnetic resonance, and theoretical analysis, we elucidate the water‐promoted hydrogenation mechanism. Water is a crucial solvent because it provides protons directly and enhances H 2 diffusion, thereby facilitating a favorable water‐mediated 1–4–2–3 hydrogenation pathway on the surface of this catalyst. Based on this finding, the catalyst exhibits universal water‐promoted hydrogenation performance for a wide range of N ‐heterocycles (14 examples with yields of over 96%). This work highlights the crucial role of water in liquid‐phase hydrogenation reactions and provides a new research paradigm for the future development of such reactions.
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