双原子催化！！新加坡国立/清华/EPFL/A*STAR四校联发Nature！

一、【导读】

过渡金属催化的交叉偶联反应对于发展有机合成中的分子复杂性至关重要，通常利用均相有机金属配合物。尽管具有无与伦比的合成能力，但使用均相催化剂引起的问题包括其潜在的高生产成本、与产品分离和纯化以及催化剂回收挑战相关的环境影响。开发多相催化工艺对于大规模生产具有很高的吸引力，以促进催化剂的分离、回收和再利用，并提高连续流合成的适应性。这些潜在的优势引发了对固定化有机金属配合物和纳米结构金属催化剂的广泛研究。尽管有些已经在工业化生产中成功应用，但由于对活性位点结构的控制不佳或与载体的相互作用较弱，使其在交叉偶联反应中的适用性仍然有限。研究表明，单原子催化剂（SACs）具有明确的活性位点，使其对有机合成具有潜在功能，但由于空间环境和电子量子态的限制，这些稳定在固体载体上的单核金属结构可能不是催化复杂分子转化的最佳选择，这也引发了关于单核金属位点是否为复杂分子转化提供最佳结构的争论。

二、【成果掠影】

在此，新加坡国立大学吕炯教授，Ming Joo Koh教授和朱烨教授，新加坡科学技术研究局Shibo Xi，瑞士苏黎世联邦理工学院Javier Pérez-Ramírez教授和清华大学李隽教授等人（共同通讯作者）报告了一类非均相双原子催化剂（GACs），其能够以特定的配位和空间接近度配对单原子位点。其中，在聚合物氮化碳（PCN）主体中具有离域π键性质的规则分离氮锚定基团，允许在高金属密度下基态分离约4 Å的铜双位点的配位。GAC中单个Cu位点的适应性配位通过动态Cu-Cu键合实现协作桥耦合途径，适用于具有低活化能垒的各种C-X（X=C，N，O，S）交叉偶联。原位表征和量子理论研究表明，这种交叉偶联的动态过程是由两种不同的反应物在双金属位点的吸附触发的，使得同质偶联不可行。更进一步研究显示，GAC的这些内在优势使得具有多个配位点的杂环、空间支架和具有高度特异性和稳定活性的药物的杂环的组装成为可能。更加重要的一点是，放大实验和连续流动的转化表明，精细化学品的制备具有广泛的适用性。

相关研究成果以“Geminal-atom catalysis for cross-coupling”为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

1.本文成功开发了一类新的由一对低价金属中心组成的非均相双原子催化剂，其具有规则的基态分离和适当的配位动力学。

2.非均相双原子催化剂中单个Cu位点的适应性配位通过动态Cu-Cu键合实现协作桥耦合途径，适用于具有低活化能垒的各种C-X（X=C，N，O，S）交叉偶联。

四、【数据概览】

图1 Cu_g/PCN的合成与表征© 2023 Springer Nature

图2 Cu_g/PCN催化交叉偶联的衬底范围© 2023 Springer Nature

图3 提出了在Cu_g/PCN的基础上进行C-O偶联的催化机理© 2023 Springer Nature

图4 双原子催化有机合成的优势© 2023 Springer Nature

五、【成果启示】

综上所述，本文开发了一类新的由一对低价金属中心组成的异质GAC，其具有规则的基态分离和适当的配位动力学。运用该概念锚定了在纳米晶PCN载体上的铜原子，定义了约4 Å金属位点的接近度，并使其在反应过程中具有适应性配位。在广泛的交叉偶联反应（包括叠氮化物-炔烃环加成、碳-碳和碳-杂原子键形成）中的催化评估表明，与基于氮掺杂碳宿主的具有相似金属密度的传统SAC相比，GACs具有优异的性能。结果表明，尽管铜的成本和环境足迹较低，但GACs克服了铜催化交叉偶联反应中缓慢的氧化，传统上，与钯催化剂相比，添加范围有限。详细的结构和机理分析证实了金属中心的协同性，通过动态桥耦合机制能够有效地活化衬底，在生物相关药物生产和连续流转化中的进一步演示说明了GAC的广泛合成能力。与传统的均质合成相比，通过生命周期评估（LCA）量化了目前GAC路线的环境效益，实现了四个成熟指标的足迹减少。

文献链接：“Geminal-atom catalysis for cross-coupling”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06529-z）

本文由材料人CYM编译供稿。