单原子催化剂(SACs)具有明确的活性位点，使其成为有机合成的潜在兴趣。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的结构可能不是催化复杂分子转化的最佳选择。

“双原子催化交叉偶联”在Nature网站在线刊登。（图源自Nature ）

9月20日，新加坡国立大学吕炯、朱烨、KOH Ming Joo，清华大学李隽，陕西理工大学于琦，苏黎世联邦理工学院Javier Pérez-Ramírez和新加坡科技研究局Xi Shibo等合作完成的研究成果“双原子催化交叉偶联”在Nature网站在线刊登。该研究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。据了解，这是陕西理工大学校史首篇Nature研究成果。

在聚合物碳氮(PCN)基质中，具有离域π键性质的规则分离的氮锚定基团允许在高金属密度下以约4 ?的基态分离配位。GACs中单个Cu位点的自适应配位使得Cu-Cu动态成键的协同桥耦途径能够以低激活势垒实现多种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引起的，使得均偶联不可行。GACs的这些固有优势使其能够组装具有多个配位位点的杂环，具有空间拥塞的支架和具有高特异性和稳定活性的药物。放大实验和转化为连续流表明广泛适用于精细化学品的制造。

该研究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。该概念用于锚定在纳米晶PCN载体上的铜原子，该载体定义了约4 ?金属位点的接近度，并使其在反应过程中具有适应性配位。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。

Cug/PCN的合成与表征（图源自Nature ）。

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生殖部位的协同性，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SACs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，与传统的均质合成方法进行比较，突出了四个既定指标的足迹减少。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06529-z