用于喹啉还原氘代的 Rh/TiO2催化剂中的强金属 - 载体相互作用

《Catalysts》：Strong Metal–Support Interaction in Rh/TiO2 Catalysts for Reductive Deuteration of Quinoline Wenting Zhang, Xiang-Ting Min and Botao Qiao

　　

N-杂环的还原氘代提供了氘代支架的有效途径，然而实现喹啉中受控的氘掺入仍然具有挑战性。在此，研究人员报道了一种经高温 H₂处理的 Rh/TiO₂催化剂（Rh/TiO₂–H500），该催化剂能够使用 D₂O 作为氘源实现喹啉的高效还原氘代。结构表征显示，500 °C 下的还原诱导了显著的强金属 - 载体相互作用（SMSI），导致 Rh 纳米颗粒被部分 TiO_x包裹以及界面电子转移生成富电子 Rh⁰物种。这种优化的界面结构促进了协同 C–H 活化和还原喹啉框架上的有效 H/D 转移，从而在 1,2,3,4-四氢喹啉（THQ）的多个位置实现高氘掺入。这些结果突出了 SMSI 驱动的电子和界面调控在调节多相催化剂上还原性 H/D 交换中的重要性。

氘代药物因能显著增强药代动力学性质、减少毒性代谢物形成及抑制手性药物立体异构互变，已成为现代药物开发中极具前景的方向。含氮杂环在现代药物化学中占据核心地位，统计显示超过 80% 经美国 FDA 批准的小分子药物含有至少一个含氮杂环。其中，1,2,3,4-四氢喹啉（THQ）作为生物活性分子中嵌入的特权三维支架，其衍生物表现出抗菌、抗癌等多种生物活性。因此，开发高效的氘代 THQ 衍生物合成策略具有重要意义。然而，实现 THQ 中 Csp³–H 键的选择性氘代同时保留芳香环仍是一项重大且未解决的挑战。在均相催化系统中，过渡金属倾向于与 THQ 的芳香π系统配位，导致芳香环优先氘代，而 Csp³–H 键活化在动力学上不利。相比之下，多相催化剂虽能在加氢条件下促进氘代，但扩展的金属表面通常允许多种非选择性吸附几何构型，导致 Csp³–H 和芳香位点的广泛甚至接近完全氘代。为此，Wenting Zhang, Xiang-Ting Min and Botao Qiao 等人开发了具有强金属 - 载体相互作用（SMSI）的 Rh/TiO₂催化剂，旨在解决这一长期挑战。该研究发表于《Catalysts》期刊，揭示了 SMSI 驱动的电子和界面调控在调节多相催化剂上还原性 H/D 交换中的重要性，为药物相关 N-杂环的选择性氘代提供了可行策略。

研究人员采用浸渍法制备系列 Rh/TiO₂催化剂，载体采用商业 P25 TiO₂，经不同温度 H₂还原处理。利用 XRD、BET、AC-HAADF-STEM、原位 DRIFTS、XPS 及 XAS 等技术表征催化剂结构与电子状态。催化性能评估在 Schlenk 管中进行，以 D₂O 为氘源，D₂为还原剂，产物经 NMR 和 GC-FID 分析确定氘掺入量及产率。

2.1 催化剂合成与表征
XRD 结果显示，800 °C 还原导致 TiO₂从锐钛矿相转变为金红石相，伴随比表面积急剧下降。AC-HAADF-STEM 图像表明，500 °C 还原诱导部分 SMSI，抑制了 Rh 纳米颗粒的过度聚集。原位 DRIFTS 利用 CO 作为探针分子，显示 500 °C 样品中 Rh 物种氧化态降低，形成富电子 Rh 纳米颗粒。EPR 证实氧空位信号随温度升高而增强，促进了载体表面活化。XPS 和 XANES 谱图进一步证实，高温还原过程中电子从 TiO₂载体有效转移至 Rh 物种，Rh 氧化态连续降低至金属态。EXAFS 拟合表明，500 °C 还原不仅促进 Rh 纳米颗粒生长，还驱动 Rh 物种趋向更具活性的零价金属态，为多位点喹啉氘代提供了最优构效关系。

2.2 催化性能
催化测试表明，Rh/TiO₂–H500 在 80 °C 下实现 98% 产率，且在 THQ 多个位置实现高氘掺入（C2: 1.93, C3: 1.46, C4: 1.25, C8: 0.76）。温度升至 100 °C 进一步提高了氘掺入量（C2: 1.95, C3: 1.42, C4: 1.56, C8: 0.89）。控制实验证实 D₂O 是主要氘源，D₂起还原剂作用，反应遵循先还原为 THQ 再进行 H/D 交换的两步路径。与均相 Rh 催化剂相比，该多相催化剂优势明显。反应后 ICP-OES 和 HRTEM 表征证实催化剂结构完整，无 Rh 流失，具有良好稳定性。界面 TiO_x覆盖层有效抑制了芳香环的π吸附，而连续分布的金属簇促进了 THQ 中多个 Csp³-H 键的活化。

研究人员总结，通过高温 H₂处理获得了一系列具有可调 SMSI 的 Rh/TiO₂催化剂。其中，Rh/TiO₂–H500 展现出最优界面结构，特征为适度 TiO_x包裹和界面电子转移，形成富电子金属 Rh 物种同时保持可接触的连续金属集合体。该优化催化剂通过连续氢化 -H/D 交换路径实现喹啉高效还原氘代，在 THQ 的 C2、C3、C4 及 C8 位实现高氘掺入。结构与光谱分析揭示了还原温度、SMSI 强度与催化性能之间的火山型关系，突出了平衡活性位点暴露与界面电子调控的重要性。这些发现表明，合理调控 SMSI 为控制多相催化剂上的还原性 H/D 交换提供了有效策略，并为药物相关 N-杂环的选择性氘代提供了机理见解。