▲第一作者：亓龍副研究員，陳靜雯博士 ；共同通訊作者： 亓龍副研究員，張治國教授，黃文裕副教授
通訊單位： 埃姆斯國家實驗室、愛荷華州立大學、浙江大學 論文DOI：10.1021/acscatal.0c00899非均相催化復雜串聯反應機理的研究對于深入認識反應過程、指導高活性和高選擇性催化劑的理性設計至關重要。本工作采用原位魔角旋轉核磁共振（operando MAS-NMR）技術，對Pd/UiO-66催化縮合-氫化-環合多步串聯反應過程進行原位表征，捕獲了2-苯基-3,4-二氫喹啉等多種關鍵活潑中間體，揭示了反應的催化機理與動力學，提出了助催化劑調控關鍵中間體轉化途徑的新策略，實現了不同目標產物的選擇性切換。多相催化串聯反應是能源和資源轉化利用中的重要過程，在提高反應原子經濟性、簡化分離純化步驟中的表現尤為搶眼（Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 126-157）。然而多相催化串聯反應涉及多種中間體或過渡態，反應網絡復雜，產物選擇性調控困難，亟需發展固-液-氣多相催化原位表征技術，實現催化材料的理性設計。探測反應網絡不僅需要識別各個反應物種、解讀反應路徑，同時要深入認識反應的可逆性及速率問題。然而，多相催化中同時存在固體催化劑、反應溶液及氣體，給非均相催化串聯反應復雜網絡的深入研究帶來巨大的挑戰性，對低濃度、不穩定的關鍵中間體離線檢測尤具挑戰。先進的譜學表征手段，如原位魔角旋轉核磁共振（MAS-NMR）在研究高溫、高壓多相催化體系、獲取分子層面反應信息方面展現了獨到之處（ACS Catal. 2017, 7, 3489-3500; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 17370-17381）。通過原位MAS-NMR監測定量反應中間體、繪制多相反應網絡，是指導高效高選擇性催化體系構建的關鍵。本工作以負載Pd納米粒的金屬-有機框架（UiO-66）為多功能催化材料，選取鄰硝基苯甲醛（NBA）與苯乙酮（ACP）之間的串聯反應為模型反應來驗證研究思路的可行性。對該串聯反應途徑的有效控制，不僅有望為生物活性特效分子骨架喹啉（PQ）或四氫喹啉（PTHQ）的選擇性制備提供便捷途徑（圖1），而且反應過程中多種活性基團（-NO2, C=C, C=O, C=N及苯環）共存，因此該反應體系對于檢驗原位MAS-NMR在多相催化機理研究中的可靠性和普適性尤為適用。▲圖1. Pd/UiO-66催化動力學控制選擇性合成PQ或PTHQ
▲圖2. 化合物4還原制備PTHQ的四條可能反應路徑
要點：化合物4還原可方便地制備PQ或PTHQ，但是由于其存在多個可被還原的基團，使得體系存在四條可能的主要反應途徑。為了高選擇性制備PQ或PTHQ，需要深入揭示催化網絡。▲圖3. 化合物4氫化反應13C MAS-NMR光譜陣列（27.6 bar氫氣）
要點：利用原位MAS NMR研究氣液固共存的多相催化體系反應過程，發現了六種中間產物，解析了各中間體及產物結構，以及相關物種的反應動力學信息，突破了對空氣和溫度敏感關鍵活性中間體2-苯基-3,4-二氫喹啉（12）難以檢測的瓶頸。要點：根據原位MAS-NMR譜圖結果，獲得了反應體系內中間體及產物濃度變化信息，確立了反應級數，結合圖3明確了12為關鍵中間體。▲圖5. Pd/UiO-66催化化合物4還原反應網絡
要點：根據原位MAS-NMR的結果（圖3）及動力學信息（圖4），確立了還原環化反應的復雜反應網絡，揭示了該多相催化反應機理。▲圖6. 助催化劑存在下化合物4的還原-環化反應途徑
要點：在對機理深入認識及關鍵活性中間體成功監測的基礎上，通過添加助催化劑調控材料的催化性能，實現了產物PQ及PTHQ的精準可控制備。要點：活性中間體12的發現，啟發我們可以通過調控催化劑組成，控制12進一步加氫或脫氫反應途徑。通過添加磷酸助催化劑（圖6），可以扭轉反應產物選擇性，讓PQ成為反應主產物。且對比試驗（entries 5 and 6）表明，反應條件下PTHQ不會脫氫轉化為PQ，驗證了助催化劑作用是通過改變活性中間體12的反應途徑來調節產物選擇性的設想。實驗結果進一步說明了分子水平上的反應機理研究在催化劑理性設計方面的重要性。制備了MOF負載Pd NPs（Pd/UiO-66）的雙功能催化材料，實現了從簡單原料出發多步串聯反應合成復雜生物活性分子骨架的高效轉化。利用原位MAS-NMR技術對高壓反應條件下多相催化體系進行深入研究，原位跟蹤了多種中間體結構及其準確的濃度變化情況，繪制了復雜催化反應網絡，并通過調控催化劑組成，實現了PTHQ和PQ產物的選擇性切換。通過催化機理反饋指導催化體系設計的研究思路，不僅適用于喹啉類化合物的制備，同時也可以用于其它具有復雜反應網絡的串聯反應體系的研究。多相催化機理研究方法的突破，在分子層面繪制復雜反應網絡，有助于理性設計新的催化材料，實現復雜分子結構的按需精準制備。黃文裕課題組簡介：愛荷華州立大學化學系副教授，2000年南京大學化學本科，2002年南京大學碩士，2007年佐治亞理工博士（導師Mostafa A. El-Sayed），2011年加州大學伯克利分校博士后（導師Gabor A. Somorjai, Peidong Yang），2011年至今就職于愛荷華州立大學化學系。課題組以合成新型納米異相催化劑及其異相催化反應為主體研究方向，研究金屬，氧化物，碳材料，金屬有機骨架（MOF），和相應復合納米材料在異相加氫，氧化，偶聯等反應中的應用和機理研究。該課題組在Nat. Catal.，Chem, Nat. Commun., Angew. Chem.-Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.，ACS Catal.發表多篇工作。課題組主頁鏈接：http://whuang.public.iastate.edu/homepage.html亓龍課題組簡介：美國能源部埃姆斯國家實驗室副研究員，2009年南開大學化學本科，2013年香港城市大學博士畢業（導師István T. Horváth），2017年底在加州大學圣芭芭拉分校完成博士后研究（導師Susannah L. Scott），2018年至今在現單位就職。課題組主要研發新催化劑實現強化學鍵的催化斷裂，以深入研究多相催化反應機理與動力學見長，探索液體與氣體在多孔材料介面上的物理化學吸附與反應，開發高溫高壓原位魔角旋轉核磁共振和在線超高效色譜學在催化中的應用。該課題組在J. Am. Chem. Soc.，ACS Catal.發表多篇工作。課題組主頁鏈接：https://www.ameslab.gov/directory/long-qi張治國課題組簡介：浙江大學化學工程與生物工程學院教授、博士生導師，現任浙江大學制藥工程研究所所長。2000和2003年分別獲中國藥科大學本科、碩士學位，2008年獲德國吉森大學有機化學博士學位（導師Peter R. Schreiner）。2012年至今就職于浙江大學化工學院。主要從事醫藥精細化學品的綠色催化和分離新工藝研究，以開發新型的催化劑和催化模式為科研主線，先后主持了國家重點研發計劃重點專項、國家自然科學基金等多項課題的科研工作。在國際期刊發表SCI論文80余篇，被包括Science、Nature和JACS等研究論文正面他引1000余次，申請專利30多項。榮獲國家技術發明獎二等獎（2018）、侯德榜化工科學技術青年獎（2017）、浙江省科技進步一等獎（2014）等。課題組主頁鏈接：https://person.zju.edu.cn/zhiguo_zhang#647442
