▲第一作者：赵一格，刘翠波，王长洪；通讯作者：张兵
论文DOI：10.31635/ccschem.020.202000218功能化芳胺尤其含脆弱基团取代的芳胺在药物合成、材料构建等领域有着非常重要的应用，但目前仍缺少一种安全、高效、可控的转移氢化方法实现其高选择性合成。在此，本文以绿色、廉价的水为氢源，以原位自支撑生长和等离子体处理合成的富含硫空位的Co3S4-x超薄纳米片（记作Co3S4-x NS）为阴极，在较低电位下实现了水中氢到硝基芳烃的转移氢化反应，以高达99%的转化率和选择性合成了一系列脆弱基团取代的氨基芳烃化合物，同时实现了芳胺药物的快速、高效合成及苯胺的克级制备，体现了其潜在实用性。氘代标记实验证实水是电催化硝基选择性转移氢化反应的唯一氢源。此外，计算结果表明，硫空位可以增加对水和硝基的特异性吸附，进而促进对水和硝基的活化，从而表现出高的催化活性和选择性以及对脆弱官能团优异的兼容性。功能化芳胺是一类重要的有机原料，广泛应用于医药、农药、染料、高分子等领域。硝基还原是合成芳胺的主要方法，然而脆弱官能团修饰的芳胺化合物的选择性构建仍然是化学合成领域的重要挑战。催化转移氢化由于其反应条件温和、操作简便、避免了高压且危险的气态H2的使用，备受化学研究者的青睐。然而，目前的催化转移氢化制备芳胺的策略主要以贵金属Pt、Pd、Au等为催化剂，同时使用有毒且价格昂贵的氢源，如硼氢化钠、水合肼、有机硅烷等，这些不仅使芳胺的合成成本增加，而且所用氢源的副产物会带来严重的环境污染，同时容易使催化剂中毒，降低其催化活性。此外，目前方法对脆弱官能团（C-I、C-Br、C＝O、C＝C、C＝N、C≡N、C≡C等）的兼容性仍然较低。因此，亟需发展基于绿色、廉价氢源的催化转移氢化方法实现脆弱基团功能化的芳胺化合物的选择性构建。近年来，电催化化学转化因其经济高效、环境友好、产物的转化率和选择性可通过控制输入电压或电流精确控制等优点得到了广泛关注。其中，电催化水分解产氢技术被认为是解决未来能源危机和环境问题最有前景的技术之一，在此过程中会在催化剂表面产生高活性的吸附态氢原子（H*ads），此H*ads通常被认为是产氢的真正活性物种。因此，发展以此还原态的H*ads为氢源的电催化氢转移反应实现高附加值有机化学品，如功能化芳胺等的选择性构建具有重要的研究意义和潜在的应用价值，但目前还鲜见这方面的报道。此外，虽然在电催化硝基还原合成芳胺方面取得了一些进展，但所发展的电催化方法大多使用块体电极，影响传质，能耗大；且所用氢源仍以有机氢源为主；同时，芳胺的选择性不高，通常伴有偶氮芳烃、氧化偶氮芳烃等副产物。要获得高纯度的氨基芳烃，往往需要更负的电位，这导致了更大的能耗和更差的官能团兼容性。因此，设计合成廉价、高效的电催化剂，以水为氢源，在较低电位下实现硝基的选择性还原合成功能化芳氨是非常必要的。（1）以廉价、清洁的水为氢源，避免了高压、危险的氢气或其它昂贵、有毒氢源的使用，具有绿色、环保的特点。以重水为氢源，可高效、高氘代率制备氘代芳胺化合物。（2）硫空位促进对水和硝基的特异性吸附与活化，可在较低电位下实现水中氢到硝基芳烃的转移氢化，以高转化率和选择性制备芳胺化合物，且对脆弱官能团具有优异的兼容性。（3）采用两电极Co3S4-x NS||Ni2P体系，以四氢异喹啉选择性半氧化代替阳极析氧半反应，可在1.5 V干电池驱动下实现分别在阴极和阳极制备芳胺和二氢异喹啉化合物。此外，芳胺药物，如尼美舒利、氟他胺等的高效合成及苯胺的克级制备。▲Figure 1. Illustration of sulfur vacancies promoted selective synthesis of functionalized aminoarenes via transfer hydrogenation of nitroarenes with H2O as the hydrogen source over a cobalt sulfide nanosheet cathode.
以三维导电钛网为基底，通过原位自支撑生长和Ar等离子体处理得到富含硫空位的Co3S4-x超薄纳米片。从扫描电子显微镜（SEM）图2（a）和透射电子显微镜（TEM） 图2（b）可以看出我们所合成的样品是均匀的。X射线衍射（XRD）图谱（图2（c））表明Co3S4-x超薄纳米片与立方相的Co3S4是一致的。X射线光电子能谱（XPS）显示，Co3S4-x NS比没有硫空位的Co3S4 NS具有更大的Co2+与Co3+的比例（图2（d）），说明Co3S4-x NS中硫空位的存在。此外，X射线近边吸收结构谱（XANES）中较低的Co价态（图2（e））以及电子顺磁共振（EPR）谱中较强的自由基信号（图2（f））进一步证实了富硫空位Co3S4-x超薄纳米片的成功制备。▲Figure 2. (a and inset) SEM images and (b) TEM image of Co3S4-x NS. (c) XRD patterns. (d) Co 2p XPS spectra. (e) normalized Co K-edge XANES spectra, and f) EPR spectra of Co3S4-x NS and Co3S4 NS.
▲Figure 3. (a) LSV curves of a Co3S4-x NS cathode at a scan rate of 10 mV s-1 in 1.0 M KOH with and without 0.5 mmol of 1a. (b) Potential-dependent conversion yield (con.) of 1a and selectivity (sel.) of 2a and (c) time-dependent evolution of 1a and its product 2a over Co3S4-x NS. (d) Potential-dependent electroreduction performance of 0.5 mmol of 1a over Co3S4 NS.
在标准三电极体系中，以硝基苯（1a）为模型底物，1.0 M KOH水溶液为电解液，进行了相关电化学性能测试。首先，分别在有1a和无1a的情况下进行了电催化析氢反应（HER）线性扫描测试，如图 3（a）所示，当加入1a（0.5 mmol）后，电流密度在-0.6 V vs. Hg/HgO 时开始增加，而不加1a时，则在-1.2 V左右开始明显产氢，说明在-0.6 V到-1.2 V电压之间，硝基苯比水更容易得到电子而被还原。接着研究了产物的转化率和选择性随电压变化的情况，从图 3（b）可以看出，在较低的电压-0.6 V时，目标产物苯胺已达到较好的转化率和选择性，且在较宽的电压范围内Co3S4-x NS催化硝基苯还原均能以高达99%的转化率和选择性得到苯胺产物，而以不含硫空位的Co3S4为电极时，苯胺产物的转化率和选择性都相对较低3（d），这说明硫空位在促进硝基苯的电催化转移氢化合成苯胺的过程中起着非常重要的作用。时间-转化率曲线显示，硝基苯在6小时内即可转化完成3（c），体现了Co3S4-x NS的高的催化活性。在最优条件下，对反应的普适性进行了研究。如表1所示，电催化转移氢化反应特异性发生在硝基上，而其它脆弱官能团均不受影响（2b-2j），体现了优异的官能团兼容性；同时，官能团的电性与位置不同的硝基芳烃都能较好地反应（2a,2k-2o）；此外，我们的方法也可用于尼美舒利、氟他胺等芳胺类药物的高效与高选择性合成，说现了其潜在应用性。以上这些说明了我们发展的电催化转移氢化方法的良好的普适性。Table 1. aNitro substrates (0.5 mmol), Ti supported Co3S4-x NS (working area: 1 cm2), 1.0 M KOH (25 mL), room temperature, -0.6 to -1.1 V vs. Hg/HgO. The con. and sel. are determined by gas chromatography. bIsolated yields.
我们利用密度泛函理论（DFT）对富含硫空位Co3S4-x NS阴极材料的优异的催化性能和官能团兼容性进行了模拟研究。通过优化确定硝基在Co3S4（111）晶面上具有最稳定的吸附模式，且在含硫空位的Co3S4-x（111）晶面上的吸附能（∆Eads）（-2.93 eV）明显大于在不含硫空位的Co3S4（111）晶面上的吸附能（-0.74 eV）（图4（a）），表明硫空位能促进对硝基苯吸附，从而可以加速其活化并提升其选择性转移氢化反应的性能。同时，我们之前的工作已证实硫空位可以促进对水的吸附与活化产生更高浓度的H*ads（ACS Catal. 2018, 8, 8077−8083），也可以加速硝基的转移氢化还原。另外，与炔基、卤素、氰基等不饱和官能团相比，Co3S4-x对硝基具有更大的吸附能，因此，在电催化转移氢化反应中硝基被特异性还原，而其它基团则可以很好地保留（图4（b））。此外，Co3S4-x NS阴极材料具有很好的稳定性，在催化循环6次后依然保持较高的催化活性（图4（c））。▲Figure 4. (a) The calculated adsorption energies of 1a on the (111) model facets of Co3S4-x NS and Co3S4 NS. (b) The calculated adsorption energies for -NO2 (bottom) and fragile groups (top) of three representative nitroarenes with C≡C, C-I, C≡N groups on the (111) model facets of Co3S4-x NS. (c) Cycle-dependent performance of transforming 1a into 2a over Co3S4-x NS.
本工作中，我们设计合成了一种导电基底生长的富含硫空位的Co3S4超薄纳米薄片作为阴极，以绿色、廉价的水为氢源，在较低电位下实现了水中氢到硝基的转移氢化反应，以高达99%的转化率和选择性得到一系列不同官能团取代的芳胺化合物，尤其是传统合成方法很难兼容的脆弱的官能团(如C-I、C-Br、C=O、C=C、C=N、C≡N、C≡C)在我们的体系里可以很好地保留，为通过后续转化合成更复杂的分子，如药物、功能材料等提供了条件。氘代标记实验证实芳胺产物中的氢完全来源于水。理论计算说明硫空位可以增强对硝基和水的吸附，从而加速其活化，提升其电催化转移氢化的活性和及对脆弱官能团的兼容性。此外，采用Co3S4-x NS||Ni2P两电极体系，以热力学上更容易发生的有机氧化反应代替阳极析氧半反应，在1.5 V干电池驱动下同时实现了阴极硝基还原和阳极四氢异喹啉半氧化制备芳胺和二氢异喹啉化合物，都具有较高的转化率和选择性。同时，该电催化转移氢化策略可用于芳胺药物，如尼美舒利、氟他胺等的高效合成及苯胺的克级制备。这项工作不仅为以H2O为氢源选择性转移氢化合成重要有机化合物提供新方法，也可为理性设计纳米结构实现有机电合成活性和选择性调控提供了借鉴。本人2018年9月保送到天津大学张兵课题组攻读硕士研究生。导师建议我不要做如火如荼的电解水析氢课题，应该选择有一定特色的方向，可以在水中氢电化学原位利用上做点工作。在导师的指导下，王雨婷和贾冉冉师姐以水为氢源，实现了硝酸盐的选择性电催化氢化合成铵（Natl. Sci. Rev. 2019, 6, 730-738；Angew. Chem. Int. Ed. 2020，59，5350-5354；ACS Catal. 2020, 10, 3533-3540.）。此外，鉴于氧化偶氮、偶氮和胺类化合物在药学、材料等领域的重要的应用，种晓丹和刘翠波师兄合作通过调控电位在水相中分别实现了这三种化合物的高选择性构建（Natl. Sci. Rev. 2020，7，285-295），然而在此工作中芳胺的合成需要更负的电位才能实现，在强的还原条件下，脆弱官能团，如C-I、C≡C等很难保持，而这些基团在芳胺衍生物后续转为更复杂的分子中起着重要作用。因此，如何对材料进行调控，以降低硝基还原的还原电势，并提高脆弱官能团的兼容性是亟需解决的问题。基于课题组对于材料结构精准调控与水分解产生活性氢机制上的前础积累，张老师认为利用引入阴离子空位，有可能会优先选择性地吸附硝基的氧原子，降低硝基还原成胺的过电位；此外，阴离子空位的存在还可以促进水的吸附与还原，产生吸附态氢原子。基于此，我和刘翠波师兄在实验上开展合作，以水为氢源，通过引入硫空位，在较低电位下实现了水中氢到硝基化合物的电催化转移氢化，实现了一系列芳胺的绿色、室温、高效、高选择性制备。该方法对C-I、C-Br、C＝O、C＝C、C＝N、C≡N、C≡C等脆弱基团表现出了良好兼容性。王长洪师兄通过DFT计算，证实了硝基在阴离子空位上选择性吸附的重要性。相关工作发表在《CCS Chemistry》上（Y. Zhao, C. Liu, C. Wang, X.Chong, B. Zhang, CCS Chem. 2020, 2, 507-515.）。课题组主页: https://www.x-mol.com/groups/bzhangtju论文链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000218
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