双原子催化，重磅Nature！

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，可能不是催化复杂分子转化的最佳选择。

在此，来自新加坡科学、技术和研究局的Shibo Xi、瑞士苏黎世联邦理工大学的Javier Pérez-Ramírez、清华大学的李隽以及新加坡国立大学的Ming Joo Koh &朱烨&吕炯等研究者报道了一类非均相双原子催化剂(GACs)，它们以特定的配位和空间接近对单原子位点进行配对。相关论文以题为“Geminal-atom catalysis for cross-coupling”于2023年09月20日发表在Nature上。

过渡金属催化的交叉偶联反应，是发展有机合成分子复杂性的关键，通常利用均相有机金属配合物。尽管均相催化剂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，产品分离和净化方面的挑战对环境的影响，以及催化剂的回收。

多相催化工艺的发展对大规模生产具有很大的吸引力，有利于催化剂的分离、回收和再利用，提高对连续流合成的适应性。这些潜在的优势引起了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。虽然有些已经成功地在工业上实现，但它们在交叉偶联反应中的适用性仍然有限，主要是由于活性位点结构控制不佳或与支撑体的相互作用弱。

异相SACs集成了定义明确的单核金属位点，因其克服先前开发的催化固体的缺点的潜力而引起了人们的兴趣。载体设计必须确保金属中心的稳定性，同时允许结构的灵活性，以完成催化循环和实现类似酶的特定活性。然而，防止金属脱离或聚集所需的金属中心和载体之间的化学键通常会导致有限的空间环境(例如，高配位数)，限制其同时激活复杂或多个底物的能力。

这些看似矛盾的要求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。一些研究人员假设，定制的多核位点可能更有效，但其他低核催化剂的受控合成路线仍然有限。另一种方法是通过控制金属中心的空间接近度来利用sac中金属中心之间的合作。

在此，研究者开发了一类新的非均相GACs，由对低价金属中心组成，具有规则的基态分离和适当的配位动力学以实现位点协同性。这一概念在铜原子锚定在纳米晶体PCN载体上得到了验证，它定义了金属位点的接近度约为4 Å，并在反应过程中实现了它们的自适应配位。

对叠氮化物-炔环加成、碳-碳和碳杂原子键形成等多种交叉偶联反应的催化评价表明，与基于氮掺杂碳主体的金属密度相似的传统SACs相比，GACs具有优越的性能。结果表明，GACs克服了铜催化交叉偶联反应中缓慢的氧化加成，尽管铜的成本和环境足迹较低，但与钯催化剂相比，传统上限制了其应用范围。

详细的结构和机理分析证实了金属中心在偕位点的协同性，通过动态桥耦合机制实现了底物的有效活化。在生物相关药物的生产和转化为连续流方面的进一步证明了GACs的广泛合成能力。通过事前生命周期评估(LCA)对当前GACs路线的环境效益进行量化，与传统的均相合成方法进行比较，突出了四个既定指标的足迹减少。

图1. Cu_g/PCN的合成与表征

研究者利用PCN中N-H官能团作为金属配位位的丰富和周期性存在，设计了一种逐步离子交换和配体去除策略来合成低配位双金属原子(图1a)。引入时，Cu单原子取代了H原子，PCN的N-H基团相关振动带强度几乎完全降低(图1b)证实了这一点，并被相反的N原子进一步稳定。

环形暗场扫描透射电子显微镜;在超高密度Cu_g/PCN (18.3 wt% Cu)上获得的图1c显示了高浓度的金属原子，它们倾向于形成规则间隔的对(称为双态Cu)，平均Cu-Cu距离约为0.4 nm。

图2. Cu_g/PCn-催化交叉偶联的底物范围

为了评估Cu_g/PCN催化剂的反应范围，在无配体条件下研究了具有不同电子和/或空间属性的各种(杂)芳基卤化物。结果表明，Cu_g/PCN是一种高效的非均相催化剂，可用于一般交叉偶联反应，将不同的反应物以高选择性和高收率转化为目标分子(图2)。芳基和杂芳基碘化物和溴化物是极好的偶联伙伴，可提供广泛的产品，收率从高到极高(1-82)。

图3. 提出Cu_g/PCN催化C-O偶联的机理

为了证实GACs中独特的位点协同性，制备了一系列Cu SACs (Cu₁/PCN)，其Cu含量在0.2~18.3 wt%之间，其中单体Cu(I)与双位Cu(I)的比例随着样品中Cu含量的增加而降低。对可能机制的综合理论计算强烈支持直接耦合途径的偏好，其中动态形成的Cu₂二聚体具有直接Cu-Cu键，通过氧化加成和随后的消除，促进C-O键的形成，从而产生C₆H₅OCH₃(图3)。

独特的庚烷链结构允许双态Cu(命名为Cu_A和Cu_B)在吸附反应物时自适应迁移(图3a)。使两个反应物(*C₆H₅和*OCH₃)足够接近，从而直接形成交叉键。产物解吸后，系统自然恢复到原始静态状态，Cu(I)…Cu(I)位点未成键(图3c)。

事实上，化学键分析表明，当直接的4s-4s σ键形成时，双Cu(II)之间的4s-4s轨道相互作用将导致系统经历从Cu^II(d⁹_s⁰)…Cu^II(d⁹s⁰)三重态到Cu^II(d⁸s¹) -Cu^II (d⁸s¹)单重态的势能表面交叉(图3b)。此外，DFT计算表明，在单个铜上同时氧化添加两种反应物的替代途径具有更高的能量势垒(>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。

图4. 双原子催化在有机合成中的优势

通过对各种合成场景中的催化剂进行评估，进一步展示了Cu_g/PCN的多功能性(图4)。在咪唑的N-芳基化反应中(97,71,72)，与基准的均相1,10-菲罗啉连接铜催化剂相比，Cu_g/PCN表现出更强的区域选择性，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)。

令人鼓舞的是，Cu_g/PCN在C-N偶联反应中的性能没有受到外源三联吡啶等外物的影响(图4b)，突出了催化剂对多配位实体的耐受性。此外，Cu_g/PCN催化剂解决了报道的合成路线的实际缺点，以合成具有挑战性的药物。

例如，一种更容易获得的溴化底物被成功地用于C-N偶联(以前是碘化底物，3当量铜粉，产率53%)，提高了度他雄胺的整体合成(98)，一种主要用于治疗前列腺疾病的合成4-氮杂星衍生物(图4c)。

同样，使用溴化底物设计了一种更有效和更具成本效益的Ullmann偶联(本研究使用1.4 mol% Cu催化剂，产率65%)，作为先前报道的涉及更昂贵的硼酸(2等量Cu配合物，产率38%)的Chan-Lam偶联的替代方案，用于合成黄嘌呤衍生物的前体(99)，黄嘌呤衍生物被用作激酶抑制剂(图4d)。通过使用催化量的可回收Cu_g/PCN，可以避免化学计量量的铜废物，否则将导致产品污染和其他环境问题。

综上所述，研究者量化了双原子催化路线与通过LCA进行的传统均相合成的环境效益。该分析对所有反应组分的影响进行了详细的评估，揭示了非均相催化剂的环境足迹大大减少，并突出了配体在均相体系中的主要贡献(图4)。此外，对LCA结果的敏感性分析表明，由于催化剂和溶剂在非均相体系中对总影响的贡献已经很低，很难找到具有更好环境性能的均相对应物。