第一作者：Xiao Hai、Yang Zheng、Qi Yu、Na Guo
通讯作者：Jiong Lu、Jun Li、Ye Zhu、Ming Joo Koh、Javier Pérez-Ramírez、Shibo Xi
通讯单位：新加坡国立大学、清华大学、瑞士苏黎世联邦理工学院、新加坡科技研究局A*STAR
论文doi：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06529-z
01
背景介绍
单原子催化剂(SACs)具有明确的活性位点，使其在有机合成中具有潜在的应用价值。然而，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物种的结构可能并不适合催化复杂的分子转化。
02
本文亮点
1.本工作报道了一类异质双原子催化剂(geminal-atom catalysts, GACs)，它们以特定的配位方式和空间邻近性对单原子位点进行配对。在聚合氮化碳(PCN)基质中，具有离域π键性质且均匀分布的氮锚定基团允许Cu双原子位点的配位，在高金属密度下，双原子位点之间的间距约为4 Å。
2.GACs中单个Cu位点的适应性配位使其能够通过动态Cu-Cu键实现协同桥偶联途径（协同桥耦合路径），进而以较低的活化势垒实现多样的C-X(X=C,N,O,S)交叉偶联。原位表征和量子化学理论研究表明，这种交叉耦合的动态过程是由两种不同的反应物在孪生金属位点的吸附引起的。
3.GACs的这些固有优势使其能够组装具有多个配位点的杂环、空间拥挤的支架和具有高度特异性和稳定活性的药物。放大实验和连续流实验表明其在精细化工生产中具有广泛的适用性。
03
图文解析
图1. Cug/PCN的合成与表征
要点：
1、利用PCN中丰富且周期性存在的N-H官能团作为金属配位位点，我们设计了一种分步离子交换和配体移除的策略用于合成低配位的孪生金属原子。
2、首先，Cu单原子取代H原子，并且被N原子进一步稳定。PCN中与N-H基团相关的振动带的强度几乎完全消失(图1b)。在超高密度Cug/PCN(18.3 wt% Cu)上获得的环形暗场扫描透射电子显微镜(ADF-STEM;图1c)显示出高浓度的金属原子，它们倾向于形成规则间隔的对(命名为双(取代)Cu)，平均Cu-Cu距离约为0.4 nm。
3、为了确认Cu位点的原子结构，基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算用于确定可能的模型并模拟其相应的XANES光谱。在所有提出的结构中，由heptazine链组成的结构显示出与实验CuK边XANES谱(图1e)最好的一致性。
图2. Cug/PCN催化交叉偶联的底物范围
要点：
1、为了评估Cug/PCN催化剂的反应范围，在无配体条件下考察了具有不同电子和/或空间属性的各种(杂)芳基卤化物。结果表明，Cug/PCN是一种通用型交叉偶联反应的高效非均相催化剂，可将多种反应物转化为高选择性和高收率的目标分子。
2、芳基和杂芳基碘化物和溴化物是很好的偶联试剂，以良好的产率生产广泛的产物(1-82)。供电子基、吸电子基、功能性取代基(例如，羟基、氨基、卤代物、酯、酮、腈、烯烃、炔等)和杂环都具有良好的耐受性，为进一步的合成操作提供了极大的灵活性。
3、此外，Cug/PCN在叠氮-炔烃环加成反应中表现出优异的性能(83-90，收率88%~94%)，该反应涉及两个金属中心。Cug/PCN催化的交叉偶联具有可放大性：以26 g的规模成功地生产了对乙氧基甲苯(22)，以87%的分离收率得到了C-O偶联产物。
图3. 提出了Cug/PCN上C-O偶联的催化机理
要点：
1、我们接下来对可能的机理进行了全面的理论计算，有力地支持了直接偶联途径。在该途径中，动态形成的具有直接Cu-Cu键的Cu2二聚体通过氧化加成和随后消除促进C-O键的形成，从而产生C6H5OCH3(图3)。
2、独特的heptazine链结构允许孪生的Cu(命名为CuA和CuB)在反应物的吸附上自适应地向对方迁移(图3a)，使两个反应物(*C6H5和*OCH3)足够接近，以便直接形成交叉键。产物脱附后，体系自然恢复到无配位Cu(I)…Cu(I)位点的原始静态(图3c)。
3、此外，DFT计算表明，在单个铜上同时氧化加成两个反应物的替代途径具有更高的能垒(>2.45 eV)，从而排除了在孤立的单原子铜上发生交叉偶联反应的可能性。通过原位XAFS和EPR实验有效地跟踪了整个反应循环过程中Cu物种的化学状态和局部成键环境演变，进一步验证了所提出的理论框架。
图4. 双原子催化用于有机合成的优势
要点：
1、通过评估催化剂在各种合成场景中的表现，进一步展示了Cug/PCN的多功能性(图4)。在咪唑(97、71、72)的N-芳基化反应中，Cug/PCN表现出比基准均相1,10-邻菲罗啉连接铜催化剂更强的区域选择性，这表明GACs在促进天然产物和药物中常见的多功能杂环的形成方面具有显著优势(图4a)。
2、Cug/PCN在C-N偶联反应中的性能并没有因为外源当量的三联吡啶而受到损害(图4b)，突出了催化剂对多配位体的耐受性。
3、此外，Cug/PCN催化剂解决了已报道的合成路线在合成具有挑战性的药物方面的不足。之前的路线需要三步才能以22%的总产率获得100，而Cug/PCN的直接交叉偶联能以52%的产率一步得到前驱体 (图4e)。这些研究结果表明Cug/PCN在克服有机合成中的挑战方面的能力，使其成为精细化工生产中具有实际应用价值的候选者。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06529-z
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