雙原子催化！！新加坡國立/清華/EPFL/A*STAR四校聯發Nature！

一、【導讀】

過渡金屬催化的交叉偶聯反應對于發展有機合成中的分子復雜性至關重要，通常利用均相有機金屬配合物。盡管具有無與倫比的合成能力，但使用均相催化劑引起的問題包括其潛在的高生產成本、與產品分離和純化以及催化劑回收挑戰相關的環境影響。開發多相催化工藝對于大規模生產具有很高的吸引力，以促進催化劑的分離、回收和再利用，并提高連續流合成的適應性。這些潛在的優勢引發了對固定化有機金屬配合物和納米結構金屬催化劑的廣泛研究。盡管有些已經在工業化生產中成功應用，但由于對活性位點結構的控制不佳或與載體的相互作用較弱，使其在交叉偶聯反應中的適用性仍然有限。研究表明，單原子催化劑（SACs）具有明確的活性位點，使其對有機合成具有潛在功能，但由于空間環境和電子量子態的限制，這些穩定在固體載體上的單核金屬結構可能不是催化復雜分子轉化的最佳選擇，這也引發了關于單核金屬位點是否為復雜分子轉化提供最佳結構的爭論。

二、【成果掠影】

在此，新加坡國立大學呂炯教授，Ming Joo Koh教授和朱燁教授，新加坡科學技術研究局Shibo?Xi，瑞士蘇黎世聯邦理工學院Javier Pérez-Ramírez教授和清華大學李雋教授等人（共同通訊作者）報告了一類非均相雙原子催化劑（GACs），其能夠以特定的配位和空間接近度配對單原子位點。其中，在聚合物氮化碳（PCN）主體中具有離域π鍵性質的規則分離氮錨定基團，允許在高金屬密度下基態分離約4 ?的銅雙位點的配位。GAC中單個Cu位點的適應性配位通過動態Cu-Cu鍵合實現協作橋耦合途徑，適用于具有低活化能壘的各種C-X（X=C，N，O，S）交叉偶聯。原位表征和量子理論研究表明，這種交叉偶聯的動態過程是由兩種不同的反應物在雙金屬位點的吸附觸發的，使得同質偶聯不可行。更進一步研究顯示，GAC的這些內在優勢使得具有多個配位點的雜環、空間支架和具有高度特異性和穩定活性的藥物的雜環的組裝成為可能。更加重要的一點是，放大實驗和連續流動的轉化表明，精細化學品的制備具有廣泛的適用性。

相關研究成果以“Geminal-atom catalysis for cross-coupling”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.本文成功開發了一類新的由一對低價金屬中心組成的非均相雙原子催化劑，其具有規則的基態分離和適當的配位動力學。

2.非均相雙原子催化劑中單個Cu位點的適應性配位通過動態Cu-Cu鍵合實現協作橋耦合途徑，適用于具有低活化能壘的各種C-X（X=C，N，O，S）交叉偶聯。

四、【數據概覽】

圖1 Cu_g/PCN的合成與表征? 2023 Springer Nature

圖2 Cu_g/PCN催化交叉偶聯的襯底范圍? 2023 Springer Nature

圖3 提出了在Cu_g/PCN的基礎上進行C-O偶聯的催化機理? 2023 Springer Nature

圖4 雙原子催化有機合成的優勢? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，本文開發了一類新的由一對低價金屬中心組成的異質GAC，其具有規則的基態分離和適當的配位動力學。運用該概念錨定了在納米晶PCN載體上的銅原子，定義了約4 ?金屬位點的接近度，并使其在反應過程中具有適應性配位。在廣泛的交叉偶聯反應（包括疊氮化物-炔烴環加成、碳-碳和碳-雜原子鍵形成）中的催化評估表明，與基于氮摻雜碳宿主的具有相似金屬密度的傳統SAC相比，GACs具有優異的性能。結果表明，盡管銅的成本和環境足跡較低，但GACs克服了銅催化交叉偶聯反應中緩慢的氧化，傳統上，與鈀催化劑相比，添加范圍有限。詳細的結構和機理分析證實了金屬中心的協同性，通過動態橋耦合機制能夠有效地活化襯底，在生物相關藥物生產和連續流轉化中的進一步演示說明了GAC的廣泛合成能力。與傳統的均質合成相比，通過生命周期評估（LCA）量化了目前GAC路線的環境效益，實現了四個成熟指標的足跡減少。

文獻鏈接：“Geminal-atom catalysis for cross-coupling”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06529-z）

本文由材料人CYM編譯供稿。