Zn Microenvironment Engineering for Aryl-C(sp2) Cleavage to Phenols and Tertiary Amines

化学 芳基 酚类 劈理(地质) 药物化学 有机化学 烷基 断裂(地质) 工程类 岩土工程
作者
Lulin Wang,Yike Huang,Xin Yu,Tianjiao Wang,Sen Luan,Minghua Dong,Bin Zhang,Xiaojun Shen,Qinglei Meng,Buxing Han,Huizhen Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (41): 37255-37264
标识
DOI:10.1021/jacs.5c10429
摘要

Cleaving inert aryl-C(sp2) bonds present a fundamental catalytic challenge due to their intrinsic robustness, yet it is essential for valorizing lignin into value-added chemicals. Current strategies predominantly convert aromatic rings to phenols at the expense of side-chain carbon utilization, compromising the atom economy. We report zinc coordination microenvironment engineering to achieve efficient aryl-C(sp2) cleavage in phenolic substrates with transformable side chains (e.g., ketones and alkenes), concurrently yielding phenols and tertiary amines. A nitrogen-coordinated zinc catalyst (ZnNC-900) delivered 90.0% phenol and 82.7% N,N-dimethylethylamine from 4-methoxyacetophenone. Significantly, this catalytic system demonstrates broad activity toward multiple native lignin sources, with bamboo lignin processing on a 5.0 g scale affording 1.04 g of alkyl-free phenolics (20.8 wt %) and 0.67 g of N,N-dimethylethylamine (13.4 wt %). Mechanistic studies via spectroscopy and DFT calculations demonstrate that the zinc microenvironment dictates the reaction pathway. Specifically, the ZnNC-900 catalyst, featuring zinc coordinated by three pyrrolic-N atoms and one pyridinic-N atom, reduces the energy barrier by 0.71 eV relative to ZnNC-600 (which exclusively has pyridinic-N coordination). This work provides a catalytic strategy to overcome the limitations of low atom economy, harsh conditions, and narrow substrate scope in lignin valorization.
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