英文原题：Modulating basicity in Mg-Al oxides for selective N-alkylation of BIT with improved catalytic performance

通讯作者：黄金成，长沙理工大学；罗海燕，中国海洋大学；姚浩余，中科院青岛能源所

作者：Wenyuan Zhang (张文源), Haoyu Yao (姚浩余), Shanshan Liang (梁珊珊), Min Li (李敏), Jiangcheng Li (李江成), Jincheng Huang (黄金成), Haiyan Luo (罗海燕), , Xiangfeng Liang (梁向峰)

研究背景：

C–N键的形成是有机合成与精细化工中的核心反应之一，其中N-烷基化因反应条件温和、能耗低、操作简便而成为合成胺类化合物的重要方法。然而，常用的均相碱（如NaOH、K₂CO₃）尽管活性较高，但存在难以分离回收和产物选择性较差等问题，限制了其在绿色化学和工业化中的应用。在固体碱催化剂的研究中，镁铝水滑石（LDH）因其结构可调性与高温煅烧后发生拓扑转变的特性而受到广泛关注。通过煅烧可获得具有不同强度碱性位点的镁铝混合金属氧化物（LDO），而进一步调控Mg/Al比例与煅烧温度则能够精确调节碱性位点的数量与分布。因此，在胺类化合物的N-烷基化反应中，探索如何利用LDH衍生的LDO实现碱性位点的可控构筑，并用于提高N-烷基化反应的催化性能，不仅在基础研究层面具有重要意义，也为绿色合成与可持续化工的发展提供了必要途径。

内容介绍：

长沙理工大学黄金成团队基于MgAl水滑石(LDH)在高温下结构可进行拓扑转变的性质，通过调控镁铝比及其焙烧温度系统研究了碱性位点强弱在1，2-苯并异噻唑啉-3-酮（BIT）制备正丁基-1，2-苯并异噻唑啉-3-酮（BBIT）的N-烷基化反应中的影响机制。对结构-性质相关性的研究表明，丰富的中等强度碱性位作为选择性N-烷基化的活性中心极大地提高了产物BBIT的选择性，催化过程更倾向于S_N2亲核取代。

图1. Mg₄Al₁O-600催化剂上选择性催化BIT的N-烷基化的可能机理

在阐明了N-烷基化反应的作用机理后，作者进一步在最优反应条件下对其动力学行为进行了研究（图2）。在动力学研究过程中，假设BrBu分子在催化剂表面的吸附速率及其传质速率对整体反应速率的影响可以忽略，从而采用简化的动力学模型进行分析。结果显示，反应的主要限速步骤为BIT分子在表面碱性活性位点上的N–H键断裂，以及其与BrBu分子中正丁基碳发生成键形成N-烷基化产物。动力学实验结果亦与该假设相一致，进一步验证了所提出的反应过程。

图2. (a) 不同温度对应的催化数据线性拟合, (b) 阿伦尼乌斯曲线

总结/展望：

在本篇文章中，作者通过煅烧Mg_xAl₁-LDH制备了一系列具有高度分散和稳定的纳米级催化剂Mg_xAl₁O-T,并将其应用于BIT的选择性N-烷基化反应。结果表明，Mg₄Al₁O-600催化剂具有良好的活性物种分散性、较大的比表面积和适中的碱性，其优异性也来源于结构–性质之间的紧密关联。通过研究发现BIT的选择性N-烷基化过程主要通过S_N2亲核途径发生，其中中等强度碱性位点（M-O）促进仲胺基团的去质子化，强碱性位点（O^2-）会进一步促进羰基氧的亲核性。动力学的分析也表明此反应主要聚焦于BIT的传质-反应耦合行为。未来也可进一步探索如异原子掺杂、表面官能团化和层次结构设计等策略，以提高催化活性和稳定性。此外，这种催化结构也可扩展到其他杂环化合物和酰胺底物的N-烷基化反应，显示出在精细化工和药物合成中广泛的应用前景。

Cite this: Zhang, W.; Yao, H.; Liang, S.; Li, M.; Li, J.; Huang, J.; Luo, H.; Liang, X. Modulating Basicity in Mg–al Oxides for Selective N-Alkylation of BIT with Improved Catalytic Performance. Precision Chemistry 2025. https://doi.org/10.1021/prechem.5c00083 .

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