上海交通大学李新昊教授课题组Angew：Pdδ--H电催化剂可编程胺烷基化

导读

近日，上海交通大学李新昊教授团队开发了一种可编程的电催化胺烷基化方法，以胺和醛为底物通过Pdδ--H电催化剂实现了胺的烷基化反应，从而合成含有两个可调控烷基基团和一个甲基基团的烷基胺。同时，该电催化转化过程的法拉第效率（FE）达到86%-96%，实验表征与密度泛函理论（DFT）计算均证明了富电子Pd金属在将伯胺转化为叔胺过程中的关键作用。

正文

烷基胺作为重要的工业产品和关键中间体，常被用于染料、香料、农药及药物的合成。目前，以胺和醛为原料，工业化一步法合成烷基胺需要使用过量甲醛，并以高压氢气作为氢源。然而，该合成策略存在以下局限性：其一，过量甲醛导致难以精准调控目标烷基胺的选择性；其二，高压氢气的使用伴随安全性和环境隐患。因此，开发温和可调控的烷基化方法，并以更安全便捷的氢源（如水）替代高压氢气，对可持续合成多种烷基胺具有重要意义。

近年来，电化学加氢反应因其以水为氢源的绿色性、良好的原子经济性及优异的能量利用效率，已成为一种极具吸引力的合成策略。胺的烷基化可为分子设计与组装提供新的平台，使特定烷基基团与胺分子结合，从而精确调控生命科学领域胺类分子的生物学及药理学特性。目前，电化学方法仅实现了胺的单甲基化，且法拉第效率不足10%。因此，如何通过电催化手段高效将伯胺转化为仲胺和叔胺，并实现烷基基团的可控引入，仍具有广阔的研究和应用空间。

示意图1. 烷基胺的工业生产示意图（上图）及可编程电催化胺烷基化示意图（下图）。

首先，通过纳米限域热缩合方法合成电子供体氮掺杂碳（NC）载体，并在其表面原位生长Pd纳米粒子，构筑Pd/NC异质结电催化剂。如图1a所示，等摩尔量的伯胺与醛可自发发生脱水缩合生成亚胺，随后在Pd/NC电催化剂的作用下加氢转化为仲胺（图1c），所得仲胺还可进一步在Pd/NC电催化剂上烷基化生成叔胺（图1e）。相比于单独的NC载体或Pd/C催化剂，Pd/NC催化剂在电催化胺烷基化反应中表现出显著提升的催化性能，表明NC载体在增强Pd纳米粒子的催化活性方面发挥了关键作用。在此基础上，我们进一步尝试通过调控NC载体优化Pd/NC催化剂的催化性能。

图1. Pd/NxC电催化剂上环己胺的电化学胺烷基化反应。

借助金属Pd和NxC载体（x为氮元素含量）之间的整流接触，通过调控NxC载体的N含量可以优化Pd金属中心的电子富集程度。如图2e-f所示，随着NC载体中N含量的增加，Pd 3d XPS谱图峰位置向低结合能位置偏移且整体催化剂功函值逐渐减小，XPS和功函值结果表明所负载Pd纳米粒子的富电子性显著增强。如图2g-h所示，更富电的Pdδ−（富电子Pd）电催化剂进一步提升了胺烷基化性能。

图2. Pdδ−催化剂的电子富集效应对电催化胺烷基化反应的影响。

原位衰减全反射模式下的表面增强红外吸收光谱和DFT理论计算揭示了富电Pd活性中心在促进伯胺转化为叔胺过程中的关键作用（图3和图4）。富电Pd活性中心首先促进水分解生成Pd-H活性物种，随后分别活化亚胺的C=N键以及甲醛的C=O键实现伯胺到仲胺以及仲胺到叔胺的可控转化。同时，DFT理论计算结果表明，能量升高的析氢反应在富电Pd活性中心上难以发生，因此保证了胺烷基化反应的高法拉第效率。

图3. Pdδ−-H电催化剂上环己胺单烷基化反应机理及底物伯胺的扩展。

图4. Pdδ−-H电催化剂上N-甲基环己胺单烷基化反应机理及底物仲胺的扩展。

基于Pd-H活性物种及位阻效应的开关机制，我们团队实现了Pdδ−电催化剂在级联可编程胺烷基化中的应用（图5）。在伯胺转化为仲胺的过程中，伯胺可经甲醛（左侧）或其他醛（右侧）自发脱水缩合生成亚胺，Pd-H通道开启后进一步加氢生成仲胺，若Pd-H通道关闭，则亚胺稳定存在。在仲胺转化为叔胺的过程中，当Pd-H通道关闭时仲胺保持不变（路径B和E）。当Pd-H通道开启时，分别生成两个新甲基取代的叔胺（路径A）或一个甲基和一个任意烷基取代的叔胺（路径F）。受位阻效应影响，即使施加更高电压，长链烷基（Cn，n≥2）也无法接入仲胺（路径C和D）。

图5. Pdδ−-H电催化剂上可编程胺烷基化。

总结与展望

该电化学合成方法能够以较高法拉第效率实现具有两种可选择烷基基团和一个甲基基团的烷基胺的精确合成，进一步拓展了电化学C-N偶联反应的范围，并可能开启电化学胺烷基化的新领域。

通讯作者简介

李新昊，上海交通大学化学化工学院教授、博士生导师。1999-2009年在吉林大学学习，先后获理学学士和博士学位，主要从事有机无机复合纳米材料的合成及应用；2009-2012年在德国马克斯普朗克研究所胶体与界面研究所从事博士后研究（洪堡学者），主要研究新型碳基复合材料在能源相关领域的应用。2013年1月开始任上海交通大学化学化工学院特别研究员；2014年上海高校“东方学者”特聘教授；2015年上海市青年科技启明星；2017年国家优秀青年科学基金获得者。创制了系列异质结不对称电子界面催化材料，拓展电子界面催化材料在有机合成、光催化、电催化等催化重要领域的应用，实现了催化活性与稳定性的协同提升，为高效催化材料的设计开发提供了新路径。

文献详情：

Programmable Mono-/di-alkylation of Amines with Aldehydes over a Pdδ−–H Electrocatalyst

Si-Yuan Xia†, Shi-Nan Zhang†, Dong Xu, Bing-Liang Leng, Kai-Yuan Lu, Jie-Sheng Chen, Xin-Hao Li*

Angew. Chem., Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202425622

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202425622

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