近日，我校化学与化工学院多相催化团队在铜单原子催化交叉偶联领域取得新进展，相关成果发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。我校为论文第一单位，化学与化工学院资格教授葛亮为论文第一作者，曾杰教授、刘明凯教授和兰州大学唐瑜教授为共同通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

碳–氮（C–N）和碳–氧（C–O）键的构筑是有机合成中的重要反应类型。钯催化的Buchwald–Hartwig胺化等方法已广泛用于C–N键构筑，但贵金属成本及金属残留等因素可能对其规模化应用带来一定限制。铜基催化体系以资源相对丰富的铜为催化金属，为相关反应提供了另一类选择。然而，许多铜催化交叉偶联反应仍依赖外加分子配体调控铜中心的配位环境，在提高反应性能的同时，也增加了催化剂和配体设计的复杂性，并对催化体系的稳定性、回收和重复使用提出进一步要求。因此，构建具有内禀配位环境、无需外加分子配体的铜催化体系，是值得探索的研究方向。

曾杰教授团队开发了负载于有序介孔碳上的铜单原子催化剂Cu–N₃/OMC。该催化剂采用硬模板辅助热解策略制备，以介孔二氧化硅SBA-15为模板构建氮掺杂碳骨架，并在其中稳定高度分散的铜物种。结构表征结果表明，铜物种以原子级分散状态存在，其平均Cu–N配位数接近3，与以Cu–N₃为主的局域配位环境相一致。借助载体提供的内禀配位环境，该体系可在不加入外部分子配体的条件下进行C–N和C–O交叉偶联反应。在C–N偶联反应中，Cu–N₃/OMC可用于多种芳基亲电试剂与胺类化合物的反应。底物包括具有不同电子性质和空间位阻的芳基溴化物、杂芳基溴化物及芳基三氟甲磺酸酯，最高收率达到96%；在KI促进条件下，该体系还可拓展至部分反应活性较低的芳基氯化物。除胺类亲核试剂外，多种苄醇、脂肪醇和环状醇也能够参与反应，生成相应芳基醚，表明该催化体系亦可用于C–O键构筑。

（铜单原子催化剂结构表征）

（铜催化 C–N偶联反应中芳基亲电试剂的底物适用范围）

（铜催化胺化与氧化反应的底物适用范围）

（铜催化胺化反应和氧化反应的合成应用）

研究团队进一步考察了该体系的合成应用。反应规模由5 mmol放大至100 mmol时，目标产物收率保持在90%–95%。其中，100 mmol规模反应可在空气气氛下进行，按反应中加入的总铜量计算，最高周转数（TON）达到84,000，显示出较高的催化周转水平。在催化剂循环实验中，Cu–N₃/OMC连续使用8次后，目标产物仍可获得95%的收率，表明该材料具有较好的重复使用性能。该方法还被用于多种药物相关复杂分子的后期官能团化，包括帕罗西汀、去甲氯环嗪、地氯雷他定、氟西汀和度洛西汀等结构的衍生化，说明该催化体系对结构较为复杂的底物具有一定适用性。

本研究构建了一种具有内在铜–氮局部配位环境的铜单原子催化体系，实现了无需外加分子配体的C–N和C–O交叉偶联。该体系在底物适用范围、反应放大、催化周转及催化剂重复使用等方面表现出一定的应用潜力。研究结果表明，通过载体结构为孤立铜位点提供局部配位环境，可作为设计无外加配体单原子催化体系的一种思路，并为铜单原子催化在碳–杂原子键构建中的应用提供了实验基础。（撰稿：葛亮 审核：韩新亚 郑近德 张苒 黄敏）