導讀

近日，上海交通大學李新昊教授團隊開發了一種可編程的電催化胺烷基化方法，以胺和醛為底物通過Pdδ--H電催化劑實現了胺的烷基化反應，從而合成含有兩個可調控烷基基團和一個甲基基團的烷基胺。同時，該電催化轉化過程的法拉第效率（FE）達到86%-96%，實驗表征與密度泛函理論（DFT）計算均證明了富電子Pd金屬在將伯胺轉化為叔胺過程中的關鍵作用。

正文

烷基胺作為重要的工業產品和關鍵中間體，常被用于染料、香料、農藥及藥物的合成。目前，以胺和醛為原料，工業化一步法合成烷基胺需要使用過量甲醛，并以高壓氫氣作為氫源。然而，該合成策略存在以下局限性：其一，過量甲醛導致難以精準調控目標烷基胺的選擇性；其二，高壓氫氣的使用伴隨安全性和環境隱患。因此，開發溫和可調控的烷基化方法，并以更安全便捷的氫源（如水）替代高壓氫氣，對可持續合成多種烷基胺具有重要意義。

近年來，電化學加氫反應因其以水為氫源的綠色性、良好的原子經濟性及優異的能量利用效率，已成為一種極具吸引力的合成策略。胺的烷基化可為分子設計與組裝提供新的平臺，使特定烷基基團與胺分子結合，從而精確調控生命科學領域胺類分子的生物學及藥理學特性。目前，電化學方法僅實現了胺的單甲基化，且法拉第效率不足10%。因此，如何通過電催化手段高效將伯胺轉化為仲胺和叔胺，并實現烷基基團的可控引入，仍具有廣闊的研究和應用空間。

示意圖1. 烷基胺的工業生產示意圖（上圖）及可編程電催化胺烷基化示意圖（下圖）。

首先，通過納米限域熱縮合方法合成電子供體氮摻雜碳（NC）載體，并在其表面原位生長Pd納米粒子，構筑Pd/NC異質結電催化劑。如圖1a所示，等摩爾量的伯胺與醛可自發發生脫水縮合生成亞胺，隨后在Pd/NC電催化劑的作用下加氫轉化為仲胺（圖1c），所得仲胺還可進一步在Pd/NC電催化劑上烷基化生成叔胺（圖1e）。相比于單獨的NC載體或Pd/C催化劑，Pd/NC催化劑在電催化胺烷基化反應中表現出顯著提升的催化性能，表明NC載體在增強Pd納米粒子的催化活性方面發揮了關鍵作用。在此基礎上，我們進一步嘗試通過調控NC載體優化Pd/NC催化劑的催化性能。

圖1. Pd/NxC電催化劑上環己胺的電化學胺烷基化反應。

借助金屬Pd和NxC載體（x為氮元素含量）之間的整流接觸，通過調控NxC載體的N含量可以優化Pd金屬中心的電子富集程度。如圖2e-f所示，隨著NC載體中N含量的增加，Pd 3d XPS譜圖峰位置向低結合能位置偏移且整體催化劑功函值逐漸減小，XPS和功函值結果表明所負載Pd納米粒子的富電子性顯著增強。如圖2g-h所示，更富電的Pdδ?（富電子Pd）電催化劑進一步提升了胺烷基化性能。

圖2. Pdδ?催化劑的電子富集效應對電催化胺烷基化反應的影響。

原位衰減全反射模式下的表面增強紅外吸收光譜和DFT理論計算揭示了富電Pd活性中心在促進伯胺轉化為叔胺過程中的關鍵作用（圖3和圖4）。富電Pd活性中心首先促進水分解生成Pd-H活性物種，隨后分別活化亞胺的C=N鍵以及甲醛的C=O鍵實現伯胺到仲胺以及仲胺到叔胺的可控轉化。同時，DFT理論計算結果表明，能量升高的析氫反應在富電Pd活性中心上難以發生，因此保證了胺烷基化反應的高法拉第效率。

圖3. Pdδ?-H電催化劑上環己胺單烷基化反應機理及底物伯胺的擴展。

圖4. Pdδ?-H電催化劑上N-甲基環己胺單烷基化反應機理及底物仲胺的擴展。

基于Pd-H活性物種及位阻效應的開關機制，我們團隊實現了Pdδ?電催化劑在級聯可編程胺烷基化中的應用（圖5）。在伯胺轉化為仲胺的過程中，伯胺可經甲醛（左側）或其他醛（右側）自發脫水縮合生成亞胺，Pd-H通道開啟后進一步加氫生成仲胺，若Pd-H通道關閉，則亞胺穩定存在。在仲胺轉化為叔胺的過程中，當Pd-H通道關閉時仲胺保持不變（路徑B和E）。當Pd-H通道開啟時，分別生成兩個新甲基取代的叔胺（路徑A）或一個甲基和一個任意烷基取代的叔胺（路徑F）。受位阻效應影響，即使施加更高電壓，長鏈烷基（Cn，n≥2）也無法接入仲胺（路徑C和D）。

圖5. Pdδ?-H電催化劑上可編程胺烷基化。

總結與展望

該電化學合成方法能夠以較高法拉第效率實現具有兩種可選擇烷基基團和一個甲基基團的烷基胺的精確合成，進一步拓展了電化學C-N偶聯反應的范圍，并可能開啟電化學胺烷基化的新領域。

通訊作者簡介

李新昊，上海交通大學化學化工學院教授、博士生導師。1999-2009年在吉林大學學習，先后獲理學學士和博士學位，主要從事有機無機復合納米材料的合成及應用；2009-2012年在德國馬克斯普朗克研究所膠體與界面研究所從事博士后研究（洪堡學者），主要研究新型碳基復合材料在能源相關領域的應用。2013年1月開始任上海交通大學化學化工學院特別研究員；2014年上海高校“東方學者”特聘教授；2015年上海市青年科技啟明星；2017年國家優秀青年科學基金獲得者。創制了系列異質結不對稱電子界面催化材料，拓展電子界面催化材料在有機合成、光催化、電催化等催化重要領域的應用，實現了催化活性與穩定性的協同提升，為高效催化材料的設計開發提供了新路徑。

文獻詳情：

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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