Biomass-Derived Cooperative Pyridinic/Pyrrolic-N Sites Enable Efficient Metal-Free N-Alkylation of Alcohols with Amines

杂原子 催化作用 化学 碳纤维 基质(水族馆) 组合化学 吸附 纳米技术 生物量(生态学) 金属有机骨架 材料科学 胺气处理 碳链 介孔材料 对映选择合成 有机化学 化学工程
作者
Youjuan Tan,Yao Chen,Qiudi Zhu,Zhusheng Yang,Lin Chen,Yan Li,Xuefei Liu,Xianglin Pei
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (16): 16325-16339
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c04618
摘要

Abstract N-alkylamines serve as essential structural units in pharmaceuticals, agrochemicals, bioactive molecules, etc. Nevertheless, their conventional syntheses predominantly rely on metal-based catalysts, which frequently encounter challenges including metal leaching, easy poisoning, and poor recyclability. Herein, starting from the biomass resource chitosan, we engineered a series of chitosan carbon microspheres (CCMs) with high surface area and tunable N heteroatoms via sol−gel synthesis followed by facile calcination. Under relatively mild conditions, a metal-free catalytic system that achieved efficient N-alkylation of alcohols and amines using chitosan-derived N-doped carbon materials has been realized. The optimal CCM-800 exhibited activity advantages over many commercial and reported metal-based catalysts, along with high cycling stability (30 cycles) and broad substrate scope (103 compounds). Combined with theoretical calculations, it revealed that these cooperative pyridinic/pyrrolic-N sites enhanced their adsorption and activation capabilities for the key intermediate Ph-CH2OK in the rate-determining step (RDS) through their synergistic electronic structure and spatial configuration, thereby promoting the entire reaction. This work achieves efficient N-alkylation reaction using biomass-derived carbon materials under metal-free catalysis, providing a viable route for the efficient synthesis of N-alkylamines.
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