木质纤维素是地球上最为丰富的生物质资源之一，每年通过植物光合作用可产生约 1700 亿吨。它主要由纤维素（40 - 50 wt%）、半纤维素（20 - 30 wt%）和木质素（10 - 35 wt%）组成。木质素含有大量的芳香结构，被视为替代化石基芳香化学品的潜在资源。在众多研究中，对木质素解聚及其下游产品的探索备受关注，不过，利用空气或分子氧进行选择性氧化，以制备羧酸衍生物的研究相对较少。而酰胺作为一类极具价值的化合物，广泛应用于有机合成、农药和制药等领域。例如，2022 年全球畅销的前 200 种药物中，有 73 种是基于酰胺及其衍生物，主要是芳香酰胺。传统的酰胺键形成策略通常存在生成大量废弃物的问题，对环境和可持续性造成了负面影响。因此，开发一种从可再生原料合成各种芳香酰胺的通用方法显得尤为重要。

德国莱布尼茨催化研究所（Leibniz - Institut für Katalyse e.V.）等机构的研究人员针对上述问题展开研究，他们成功开发了一种通过钴催化的有氧氧化酰胺化反应，从木质素及其衍生物合成多种功能化酰胺的方法。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为实现芳香酰胺的绿色、可持续合成开辟了新道路。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，采用模板牺牲法制备了负载在氮掺杂碳上、具有高度分散钴物种的催化剂（Co - L1@NC - 800）。其次，运用 X 射线粉末衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）等多种表征技术，对催化剂的结构进行了深入分析。此外，通过控制实验、同位素标记实验、自由基捕获实验等，对反应机理进行了探究。

研究人员通过模板牺牲法，将硝酸钴（Co(NO3)2⋅6H2O）与氯化铵（(NH4Cl)）、1,10 - 菲啰啉（L1, Phen）在乙醇中混合，形成均相金属 - N 配合物溶液，然后负载在二氧化硅（SiO2）模板上，经过高温热解和蚀刻等步骤，制备出一系列高度分散的钴材料。以 2 - 苯氧基 - 1 - 苯乙醇（1）和苯胺（2）的氧化酰胺化反应为基准反应，对制备的材料进行测试。结果表明，由 L1 制备的催化剂（Co - L1@NC - 800）表现最佳，其转化率高达 99%，目标产物苯甲酰苯胺（3）的产率达到 84%。其他基于铁（Fe）、锰（Mn）、铜（Cu）的材料以及使用不同配体制备的钴催化剂，活性和化学选择性均较低。同时，研究发现，以水为溶剂时，目标产物的化学选择性最佳。进一步研究表明，Co - L1@NC - 800 催化剂具有良好的稳定性和可回收性，重复使用 6 次后活性无明显下降，且在克级规模实验中也能顺利进行，产率可达 80%。

通过 XRD 分析发现，Co - L1@NC - 800 催化剂在 25° 和 44° 左右出现两个明显的衍射峰，分别对应于石墨化载体的（002）和（101）晶面，且未检测到与结晶金属钴或钴氧化物相关的衍射峰，表明不存在大的含钴结晶颗粒。TEM 图像显示，该材料具有明显的孔隙结构，比表面积为 584.4m2/g，孔体积为 1.46cm3/g ，有利于氧气和底物的吸附与传输。HAADF - STEM 图像清晰地显示钴物种以原子形式分散在氮掺杂碳上。XPS 分析表明，氮（N）1s 光谱存在四个峰，分别对应于吡啶氮、钴 - 氮（Co - N）、吡咯氮和石墨氮。XANES 测量结果显示，Co - L1@NC - 800 中钴原子的电子结构介于氧化钴（CoO）和四氧化三钴（Co3O4）之间，为Coδ+（2 < δ < 3）。FT - EXAFS 光谱在 R 空间的主要峰位于 1.40 Å，对应于 Co - N 第一配位壳层，未检测到典型的 Co - Co 配位峰，进一步证实了钴原子的孤立存在。这些结果表明，Co - L1@NC - 800 催化剂具有独特的结构，为其高效催化性能提供了保障。

在确定了最佳反应条件和催化剂后，研究人员对木质素模型化合物和木质素降解产物进行了氧化酰胺化反应。实验结果显示，多种芳香胺、杂环胺和脂肪胺在标准反应条件下，都能与 2 - 苯氧基 - 1 - 苯乙醇顺利反应，生成相应的二级酰胺，产率良好至优秀。例如，简单苯胺及其取代物反应生成的二级酰胺产率最高可达 88%；卤代酰胺的制备产率也较高，是有机合成、制药和农药领域的重要中间体。此外，含有甲氧基、苄氧基、羟基、硝基、氰基以及酰胺基等官能团的胺，也能得到产率高达 90% 的相应产物。多种含吡啶、嘧啶、咪唑、噻唑、吲哚、喹啉、苯并二恶唑和苯并二恶烷单元的杂环胺同样能够顺利反应，生成相应的杂环酰胺。然而，二级胺在酰胺化反应中的活性较低，产率小于 55%，如吗啡啉参与反应时，会发生 C - N 键断裂，无法生成目标产物。研究人员还对不同的木质素衍生物进行了测试，结果表明，Co - L1@NC - 800 催化剂对多种木质素模型化合物，包括 β - O - 4、α - O - 4 和 β - 1 化合物，都具有良好的催化活性，能够选择性地制备出相应的一级、二级和三级酰胺，产率高达 95%。更为重要的是，研究人员首次实现了利用该催化剂将真实木质素（松木屑）转化为酰胺，产率可达 13 wt%（相对于木质素含量），显示出该方法在生物炼制领域的巨大潜力。

为了深入了解氧化酰胺化反应的催化过程和反应途径，研究人员进行了一系列控制实验、动力学分析和光谱原位测量。在无胺存在的情况下，Co - L1@NC - 800 可将 2 - 苯氧基 - 1 - 苯乙醇转化为苯氧基苯乙酮（1b）、苯乙酮（1c）、苯甲酰甲酸（1d）、苯甲醛（1e）和苯甲酸（1f）等中间产物。随后，这些中间产物与苯胺反应，能够顺利生成苯甲酰苯胺。同位素标记实验表明，酰胺基团中的氧原子来自分子氧（O2），而非水（H2O）。自由基捕获实验发现，加入叔丁醇（t - BuOH）、叠氮化钠（NaN3）和 2,2,6,6 - 四甲基 - 1 - 哌啶氧基（TEMPO）等自由基捕获剂，对反应效率基本无影响，排除了单线态氧（1O2）、羟基自由基（●OH）和其他自由基参与反应的可能性。然而，加入 1,4 - 苯醌（PBQ）后，反应受到显著抑制，表明反应过程中生成了超氧阴离子（O2⋅−），原位电子顺磁共振（EPR）实验也证实了这一点。此外，通过对催化剂进行中毒实验发现，加入硫氰酸钾（KSCN）后，催化剂活性显著下降，表明原子 Co - N 位点参与了催化反应。基于以上实验结果，研究人员提出了可能的反应途径：首先，分子氧与 Co - L1@NC - 800 相互作用，在催化剂表面生成O2⋅−，O2⋅−与 2 - 苯氧基 - 1 - 苯乙醇反应，通过Cα−OH脱氢生成 2 - 苯氧基苯乙酮；接着，2 - 苯氧基苯乙酮发生 β - C - O 键断裂，生成苯酚和苯乙酮，苯乙酮进一步通过 C（O） - C 键断裂转化为苯甲酸；最后，苯甲酸与胺反应生成目标酰胺。

综上所述，该研究成功开发了一种从木质素及其衍生物合成多种功能化酰胺的可持续方法。该方法使用基于生物质的原料、分子氧、胺和水，无需有毒溶剂或其他试剂，且所制备的催化剂具有高稳定性和广泛的官能团耐受性。该研究为从可再生底物合成芳香酰胺提供了一种通用、实用且绿色的方法，是迈向可持续化学的重要一步，有望在有机合成、制药和生物炼制等领域得到广泛应用，对推动化学工业的绿色发展具有重要意义。