单原子光催化，最新Nature Catalysis！

米测MeLab

2025-12-05

第一作者：Yang Shi, Xiao Hai, Lei Cheng

通讯作者：Jiong Lu, Jie Wu

通讯单位：新加坡国立大学、新加坡国立大学苏州研究院

研究要点

本文开发了一种负载单原子铂的石墨相氮化碳催化剂，成功实现了在可见光驱动下（杂）芳烃与多种亲核试剂之间的交叉脱氢偶联反应（图1）。该反应无需外加化学计量氧化剂，以氢气为唯一副产物，催化剂可循环使用十次以上且金属浸出极低，并通过自制高速循环流动系统实现了药物分子的十克级规模合成，为绿色、高效的碳–杂原子与碳–碳键构筑提供了新策略。

图1. 催化体系示意图

一、研究背景

功能化（杂）芳烃是药物分子中广泛存在的关键结构单元，其高效合成一直是有机合成领域的研究重点。传统构建碳–杂原子键的方法主要依赖于过渡金属催化的偶联反应，例如 Suzuki、Ullmann和Buchwald–Hartwig等反应，但这些方法通常需要使用预官能化的卤代芳烃和金属试剂，步骤冗长且原子经济性较低。交叉脱氢偶联反应（Cross-dehydrogenative coupling，CDC）作为一种更具步骤和原子经济性的替代策略，能够直接利用碳氢键进行偶联，避免了预官能化步骤，极大简化了合成路线。

然而，传统的CDC反应通常依赖于化学计量的金属盐或高价碘等氧化剂，不仅产生大量废弃物，也限制了其绿色合成潜力。近年来，光催化和电化学方法为发展无氧化剂的CDC反应提供了可能，但仍存在诸多挑战：均相光催化体系通常需要较贵的钴肟配合物作为助催化剂，且催化剂难以回收；电化学方法则受限于装置复杂和底物普适性较窄。因此，开发一种兼具高活性、高选择性、易回收且无需外加氧化剂的CDC催化体系，具有重要的科学意义和实用价值。

二、研究思路

1. 催化剂设计

为解决上述挑战，研究团队将目光投向单原子催化剂。单原子催化剂因其最大的原子利用效率、可调控的配位环境和优异的催化性能，在诸多催化反应中展现出巨大潜力。本研究旨在将单原子光催化与产氢型CDC反应相结合，构建一个绿色、高效且可循环的多相催化体系（图2）。

催化剂的设计基于以下关键考量：载体需具备丰富的锚定位点、高比表面积、可见光吸收能力以及合适的光激发氧化还原电位；金属组分应具有优异的产氢活性。最终，研究团队选择以石墨相氮化碳为载体，负载单原子铂，构建了Pt-g-C₃N₄ 单原子催化剂。g-C₃N₄价格低廉、易于制备，其富氮表面可为金属原子提供稳定的锚定位点，且其能带结构适合于光催化反应。铂则是已知的产氢活性最高的金属之一，其单原子形式不仅能促进电荷分离，还能作为高效催化中心参与反应。

图2. (杂)芳烃与亲核试剂之间的CDC反应

2.催化剂合成与结构表征

Pt-g-C₃N₄通过两步退火法合成（图3）。首先将铂前驱体负载g-C₃N₄的富氮位点上，随后通过阶梯式升温去除配体，最终形成稳定的单原子结构。通过多种表征手段证实了铂以孤立单原子形式均匀分散于载体中：球差校正电镜图像中观察到清晰的单原子亮点，无纳米颗粒或团簇；X射线吸收谱分析显示铂–氮配位键的存在，且无铂–铂键信号，表明铂物种为阳离子态（约+2价）；X射线光电子能谱和元素mapping进一步证实了铂的高度分散性。此外，紫外-可见漫反射光谱表明铂的引入基本未改变g-C₃N₄的本征能带结构，为其光催化性能奠定了基础。

图3. 催化剂的合成和表征

3. 光催化交叉脱氢偶联反应性能研究

以噻吩和乙醇为模型反应，研究团队系统优化了反应条件（图4）。在最佳条件下，Pt-g-C₃N₄表现出优异的催化活性。相比之下，其他金属（Ir, Cu, Ni, Fe）负载的SACs或纯g-C₃N₄活性均显著降低，凸显了单原子铂的关键作用。反应需在光照、催化剂和氩气氛下进行，添加Zn(OTf)₂可显著提升反应效率，其作用可能是作为缓冲剂抑制光生电子-空穴复合，并稳定反应中产生的瞬态阳离子自由基中间体。

该催化体系展现了优异的底物普适性（图5）。在碳–氧键形成方面，多种伯醇、仲醇以及环状醇都能与各类取代噻吩高效、高区域选择性地发生偶联。在碳–氮键形成方面，吡唑、三氮唑、苯并三氮唑、氨基甲酸酯和二磺酰亚胺等多种含氮亲核试剂均可顺利参与反应，且底物范围进一步拓展至苯并噻吩、吲哚、吡咯等传统碳–氧偶联中不活泼的（杂）芳烃。此外，该体系还成功实现了碳–磷键和碳–碳键的构筑，以及羧酸的脱羧烷基化反应，展现出一个多功能、高效的合成平台。

图4. 反应性能

图5. 底物拓展

4. 合成应用与实用性验证

为凸显该多相单原子光催化体系的优势，研究团队将其与典型的均相光催化体系进行了对比（图6）。在多种底物的CDC反应中，Pt-g-C₃N₄体系均能获得更高的产率，且有效避免了均相体系中观察到的副反应（如脱溴），证明了其更高的效率和选择性。

催化剂的循环使用性能是多相催化实用化的关键。实验表明，Pt-g-C₃N₄经过十次循环使用后，催化活性未见明显下降，且铂浸出量极低。反应后的催化剂经多种表征证实，其单原子结构、铂的价态及配位环境均保持稳定，体现了卓越的耐久性。

研究团队进一步将该方法应用于天然产物、药物分子及光电材料的后期功能化修饰，成功实现了多种复杂分子的定点衍生化（图7）。尤为突出的是，利用自主研发的高速循环流动系统，成功实现了药物分子林托斑和LG 82-4-01的十克级规模合成，将传统多步合成路线大幅简化，显著提升了合成效率和原子经济性，展现了该策略在药物规模化生产中的巨大应用潜力。

图6. 实用性验证

图7. 合成应用

5. 反应机理探究

通过一系列控制实验、光谱分析和电化学测试，研究团队对反应机理进行了深入阐释（图8）。自由基捕获实验证实反应涉及自由基过程。空穴清除剂能完全抑制反应，而电子清除剂影响较小，表明光生空穴在引发芳烃氧化形成阳离子自由基的关键步骤中起核心作用。竞争实验和循环伏安研究表明，反应的区域选择性和底物适用范围受亲核试剂的亲核性、芳烃的氧化电位以及反向电子转移速率等多种因素协同控制。

对于反应中如何避免更易被氧化的偶联产物发生过度氧化的问题，研究发现除了公认的反向电子转移保护机制外，光照下碳–氧键的均裂也可能是重要途径。最终，研究者提出了一个合理的催化循环机理：光照下，Pt-g-C₃N₄产生电子-空穴对；空穴氧化（杂）芳烃生成阳离子自由基中间体；亲核试剂进攻该中间体形成自由基物种，并释放质子；该自由基进一步被氧化为阳离子中间体，经β-H消除得到偶联产物并释放第二个质子；光生电子与质子则在铂单原子活性位点上结合生成氢气，完成催化循环。

图8. 机制探究

三、小结

本研究成功开发了一种基于单原子铂/氮化碳的多相光催化剂，用于驱动（杂）芳烃与多种亲核试剂之间的无氧化剂交叉脱氢偶联反应。该体系在无需化学计量氧化剂的温和条件下，实现了碳–氧、碳–氮、碳–碳、碳–磷等多种键型的高效构筑，具有底物范围广、催化剂稳定可循环、金属浸出低等突出优点。结合高速循环流动技术，该方法实现了药物分子的简洁、规模化合成，符合绿色化学的多项原则。

这项工作不仅证明了单原子催化剂在光催化有机合成中的巨大潜力，也为发展更加绿色、经济、实用的合成方法提供了新思路和新平台，有望在药物研发、材料科学和精细化工等领域产生广泛影响。

原文详情

Shi, Y., Hai, X., Cheng, L. et al. Single-atom photocatalysis boosting oxidant-free cross-dehydrogenative couplings of (hetero)arenes with nucleophiles. Nat. Catal. (2025).

 https://doi.org/10.1038/s41929-025-01450-2