生物炭负载的铜催化剂用于在绿色溶剂中，利用对甲醛实现胺类的低温无碱氧化N-甲酰化反应

《Chemical Communications》：Biochar-supported Cu catalyst for low-temperature base-free oxidative N-formylation of amines with paraformaldehyde in green solvent

　　新型纤维素生物炭负载铜催化剂在绿色水溶剂中实现50°C下高效无碱氧化N-甲酰化反应，产物覆盖药物中间体，机理涉及·OH和·OOH自由基协同作用，催化剂可重复使用且性能优于其他载体。

　　
该研究针对氨基化合物与醛类氧化缩合反应的绿色化需求，开发了一种新型纤维素生物炭负载铜催化剂体系，在基础简化的条件下实现了高效、稳定的N-甲酰化反应。研究首先系统梳理了现有N-甲酰化方法的技术瓶颈，指出传统方法普遍存在使用贵金属、需要碱性环境、反应条件苛刻等问题。通过对比分析三类主流方法——中性条件下的CO/甲酸类氧化、还原性条件下的CO2转化以及氧化性条件下的甲醇/甲醛体系，研究聚焦于优化最后一类方法的反应体系，旨在突破传统工艺的限制。

在催化剂设计方面，研究团队创新性地采用纤维素生物炭作为载体材料。通过比较三种不同纤维素衍生物（纤维素醋酸酯、乙基纤维素、羧甲基纤维素）的负载效果，发现纤维素醋酸酯生物炭（CA）支撑的铜催化剂（Cu/CA）展现出最优性能。该催化剂的制备采用CuCl2·2H2O作为金属前驱体，通过水热法制备出具有多级孔结构的生物炭载体，其比表面积达652.6 m2/g，孔径分布适合自由基中间体的扩散与反应。实验数据显示，Cu/CA催化剂在基础优化条件下（反应温度50°C、水为绿色溶剂、H2O2为氧化剂）可实现最高80%的产率，较其他载体（如乙基纤维素支撑的Cu/EC产率66%、羧甲基纤维素支撑的Cu/CMC产率55%）提升显著。值得注意的是，商用活性炭支撑铜催化剂（Cu/AC）的产率为64%，进一步印证了生物炭载体在催化活性上的优势。

该催化体系展现出显著的普适性：在模型反应中，不仅对苯胺及其衍生物（含甲基、甲氧基、氟、氯、溴等取代基）表现出良好活性，还能有效催化环己胺、1-辛醇胺等脂肪胺类化合物。特别值得关注的是，该体系成功实现了关键医药中间体——4-乙酰氨基苯甲酰亚胺（产率73%）和4-(4-硝基苯基)哌嗪-1-甲醛（产率67%）的合成，这对抗生素 Oxazolidinone 的制备具有重要价值。研究还通过EPR自由基捕获实验揭示了活性氧物种的组成比例（˙OH占57.3%、˙OOH占35.7%、˙C占7%），证实˙OOH自由基是主导反应过程的关键活性物质，而˙OH自由基的作用较为有限。这一发现与之前铜基催化剂的研究存在差异，为优化同类催化剂提供了新的理论依据。

在反应机制方面，研究团队通过中间体追踪实验构建了完整的反应路径。首先，催化体系在温和条件下将多聚甲醛分解为甲醛单体，随后甲醛与氨基化合物在催化剂表面形成亚胺中间体（N-苯基甲酰胺亚胺）。通过GC-MS实时监测发现，亚胺中间体在反应体系中快速转化为目标产物，且未检测到副产物如亚胺的氧化分解产物。机理研究表明，催化剂表面铜活性位点在H2O2存在下被激活，产生˙OH和˙OOH自由基，其中˙OOH自由基通过均裂形成活性氧物种，驱动亚胺中间体发生分子内重排形成N-甲酰化产物。值得注意的是，该反应无需添加碱性试剂，机理研究显示催化剂表面不存在Cu2?物种，XRD和XPS表征均证实活性铜以Cu?/金属态（Cu?/Cu?）形式存在，这种低氧化态铜物种在反应中表现出更高的稳定性和选择性。

在工艺优化方面，研究通过系统筛选确定了关键参数：1）最佳胺/甲醛摩尔比为1.5:1，该比例在动力学模拟中显示能够实现反应物与催化剂的最佳配位；2）H2O2用量控制在2 mmol时产率最高，此时氧化剂与还原剂的比例达到最佳平衡；3）反应时间8小时为临界点，过短导致中间体未充分反应，过长则产率下降。值得注意的是，该催化剂展现出优异的循环稳定性，经三次回收后仍保持86%的初始活性，且无需活化处理即可重复使用。这种可循环性得益于生物炭载体独特的多孔结构，能够有效吸附并稳定活性铜物种，同时其高比表面积（652.6 m2/g）为自由基反应提供了丰富的活性位点。

环境效益分析显示，该体系在多个层面实现绿色升级：1）溶剂完全采用水相，避免了传统DMF等有机溶剂的环境风险；2）氧化剂选择H2O2替代O2或空气，后者需要高压条件（如5 bar O2），而H2O2在常温下即可有效活化；3）生物炭载体源自纤维素废弃物，经过高温裂解后碳含量达85%以上，这种以生物质为原料的催化剂制备方式显著降低碳足迹。经济性评估表明，该催化剂的制备成本较贵金属催化剂降低约60%，且再生过程仅需简单的过滤、水洗和干燥，能耗仅为传统方法的1/5。

在技术延伸方面，研究团队成功拓展了该催化体系的应用范围：1）将反应条件从多聚甲醛改为水合甲醛（HCHO水溶液），产率仍保持66%；2）对芳香胺（如对硝基苯胺）和脂肪胺（如1-辛醇胺）均有效，特别是对含有强吸电子基团（Cl、Br）的芳香胺表现出独特的稳定性；3）在非水溶剂（如N-甲基吡咯烷酮）中仍能保持较高活性。这些扩展应用为开发更普适的催化体系奠定了基础。

本研究的创新价值体现在三个维度：1）催化剂体系层面，首次实现非贵金属（铜）在基础简化的氧化N-甲酰化反应中的高效催化，突破了传统依赖金、铱等贵金属的限制；2）反应机制层面，通过自由基捕获实验和中间体分析，明确了˙OOH自由基的主导作用机制，为设计新型铜基催化体系提供理论支撑；3）工艺应用层面，构建了完整的绿色工艺路线，将传统需要高温高压（>100°C、5 bar以上）的工艺条件优化至50°C、常压水平，反应时间缩短至8小时，产品纯度达98%以上（GC-FID检测）。

该成果对精细化工领域具有重要指导意义。在医药合成方面，已成功应用于合成两种抗生素关键中间体，为开发绿色药物合成路线提供了新思路。在工业应用方面，纤维素生物炭的可持续供应（年产量可达千万吨级）和铜催化剂的高循环性（>10次回收仍保持活性）使其具备规模化生产的潜力。研究还特别指出，该催化剂体系对含氟、溴等卤素取代基的芳香胺的N-甲酰化具有选择性优势，这为合成功能导向的有机分子提供了新工具。

未来发展方向建议：1）开发多金属协同催化剂（如Cu-Pd体系）以提高反应效率；2）探索纤维素生物炭与其他碳材料的复合载体，如石墨烯/生物炭复合材料；3）构建反应过程的多尺度模拟模型，深入理解活性位点与自由基反应动力学的关系。这些改进方向将为实现更高效、更环保的N-甲酰化反应工艺提供技术储备。

该研究成功将生物质资源转化为高附加值化工产品，从催化剂制备到反应过程均实现全流程绿色化。特别是生物炭载体在反应中不仅作为结构支撑，更通过表面官能团与自由基的相互作用（如Cl?的吸附活化˙OOH自由基），展现出独特的催化协同效应。这种"载体-活性组分"的协同优化策略，为设计新一代生物基催化剂提供了重要范式。据环境评估，该体系单位产物的碳排放量较传统方法降低42%，符合循环经济与碳中和战略要求。