根据发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的一项研究，由新加坡国立大学化学系副教授 Jiong Lu 领导的研究团队设计了一种“锚定借用”技术来构建一类新型艺术单原子催化剂 （ASAC）。
a） ASAC 的交叉偶联反应的合理设计，其中 M1代表引入可还原载体上的外来单金属原子。（b） 使用单个 Pd 原子1锚定在材料 CeO 上2作为一个具有代表性的例子，该面板说明了 Pd 的动态结构和价态演变1ASAC.这些变化有助于避免交叉偶联反应中的常见挑战，这是与氧化加成相关的能量屏障。这与传统的均相催化剂系统形成鲜明对比，传统的均相催化剂系统的反应速率在很大程度上受此步骤的限制。
图片来源：Nature Communications。
这些催化剂是通过将外来单原子连接到可还原载体材料的某些方面而制成的。这使它们能够在精细化工和制药行业广泛采用的交叉偶联工艺中跳过典型的氧化加成阶段。
单原子催化剂 （SAC） 是一种新型的固体催化剂，因其能够充分利用每个原子并产生定义明确、高度活跃的反应位点而受到广泛关注。它们提供了传统和现代化工生产方法中的独特优势。
通常，支撑金属原子的材料必须经过精心设计，以保持其稳定，同时允许足够的柔韧性来高效工作。然而，金属原子之间的牢固结合和防止金属原子聚集在一起所需的支撑有时会限制它们的反应性。这种约束会使单个金属位点难以在具有多个阶段的化学反应中表现良好，例如交叉耦合。
这一发现背后的主要思想是将单个金属原子结合到金属氧化物表面的指定位置。这些表面可以从周围环境中“借用”氧原子作为锚点，而金属氧化物则起到电子储存器的作用。这种新颖的设计使结构能够适应和演变，同时避免了金属本身对复杂电子变化的重大要求，这是标准交叉偶联反应中的一个主要问题。
这项研究是与新加坡国立大学化学系的 Jie Wu 副教授、中国南方科技大学的 Yang-Gang Wang 副教授、新加坡南洋理工大学的 Dongshuang Wu 助理教授和中国北京大学的 Xiao Hai 助理教授合作进行的。
研究人员使用了氧化铈 （CeO2，110） 作为支撑材料，并发现生成的 Pd1-CeO2（110） ASAC 表现非常好，即使与芳基氯化物和复杂化合物等难以反应的化学物质也是如此。这种催化剂通过产生高产量、保持出色的稳定性并设定新的周转基准来击败标准催化剂。
这一发现以及快速、大量生成催化剂的能力表明，ASAC 在大规模药物成分和产品生产方面具有巨大潜力。
这项研究表明，ASAC 是交叉偶联反应非常有效且适应性强的催化剂，交叉偶联反应是化学和制药制造中常见的转化类型。传统的 SAC 通常难以与芳基氯化物产生影响，因为碳氯键非常强，使反应缓慢且效率低下。
然而，ASAC 通过具有灵活且适应性强的活性位点来规避这个问题，该位点提高了与芳基氯化物和其他具有挑战性的底物（如杂环化合物）的反应性，从而获得一致的高产量。
ASAC 在其他类型的反应中也具有广泛的适用性，例如 Heck 反应（芳基卤化物和烯烃之间）和 Sonogashira 反应（芳基卤化物和炔烃之间），表明它在偶联反应中的多功能性。
通过实验和理论研究的结合，研究人员发现 ASAC 通过动态改变钯 （Pd） 原子的结构来发挥作用。首席光电2材料通过充当电子储存器来发挥作用，提供电子来稳定 Pd 原子并防止它们过度氧化。这种电子缓冲大大降低了该过程所需的能量。先进的 X 射线吸收近边缘结构 （XANES） 研究表明，Pd 原子的氧化状态基本保持不变，证实了催化剂在整个时间上保持活性和稳定性。
异质 ASAC 的新概念为解决交叉偶联反应中长期存在的氧化加成挑战提供了一种更环保的方法。该策略超越了传统均相和非均相催化剂的限制，在精细化学品和药品的大规模、可持续生产方面具有巨大潜力。——Jiong Lu，新加坡国立大学化学系副教授
“展望未来，我们计划将这种方法扩展到更广泛的可用于交叉偶联反应的金属。通过调整单个原子和载体材料的类型和组合，我们可以在这些反应中提高更丰富的非贵金属的性能。
期刊参考：
Shi, J., et al. (2025) Defying the oxidative-addition prerequisite in cross-coupling through artful single-atom catalysts. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-025-58579-8
