第一作者：汪新宇，潘永周
通讯作者：李文豪，唐海涛，王定胜
通讯单位：东北大学，广西师范大学，清华大学
论文DOI：10.1002/anie.202404295
均相电催化剂可以通过电极表面的单电子转移间接氧化高过电位底物，从而实现有机电合成催化循环。然而，该方法仍然存在用量大、回收困难、催化效率低等问题。单原子催化剂（SACs）具有较高的原子利用率和优异的催化活性，在解决均相催化剂的局限性方面具有很大的前景。鉴于此，我们采用Fe-SA@NC作为一种新型的氧化还原介质，试图改变这种催化模式。使用封装热解方法合成Fe-SA@NC，并在一系列已报道的有机电合成反应中表现出优异的催化性能，能够构建各种C-C/C-X键。另外，Fe-SA@NC在探索新的有机电合成方法方面显示出巨大的潜力。我们利用它开发了一种新的环丙基酰胺的电氧化开环转化。在这种新的反应体系中，Fe-SA@NC对具有复杂结构的药物分子表现出良好的耐受性，并能够进行流动电化学合成和克级转化。这项工作突出了SAC在有机电合成中的巨大潜力，从而开辟了合成化学的新途径。
在传统的氧化过程中，某些高效的氧化方法通常需要使用对环境不友好的化学氧化剂。然而，电化学阳极氧化策略的发展使得电能被充分利用，以电子替代氧化剂从而实现底物的氧化，使其成为流行的工业氧化程序中更清洁的替代品。在各种电解技术中，在阳极对底物进行直接电氧化是最普遍和最直接的方法。尽管如此，某些底物可能会随着阳极表面电位的逐渐升高而导致过氧化副反应的发生。这种现象导致反应选择性降低，从而影响底物的专一转化。为了应对这一挑战，化学家已经设计并合成了多种均相分子电催化剂，这些催化剂将优先在阳极进行氧化还原反应，并通过单电子转移（SET）过程在低电位下对底物进行电化学氧化。然而，均相分子电催化剂在回收和副反应方面也存在挑战。特别是，可溶性金属盐（最常用的氧化还原介质之一）在反应过程中在阴极还原时易于沉淀，并影响催化循环。在均相催化领域，解决这一问题通常涉及提高催化剂稳定性或使用交流电来促进催化系统内金属的再活化。单原子催化剂（SAC）具有优异的原子利用率和高效的催化活性。这些催化剂具有明确的催化位点，其独特的催化性质和稳定性为实现化学选择性转化提供了新的可能。考虑到单原子催化剂在经典电催化反应（OER、ORR及HER）中表现出的非凡催化效率，再加上过渡金属在阳极的氧化还原能力。我们利用电催化原理，通过将金属电催化剂作为单原子材料结合在电极上，研究了金属单原子电催化剂在电化学合成中的性能。
1. 本工作利用封装热解方法合成铁单原子催化剂（Fe-SA@NC），并在一系列已报道的有机电合成反应中表现出优异的催化性能，实现了极高的转化数，转化数相较于此前发表的经典电催化策略提高了多个数量级，并高效地构建了各种C-C/C-X键。
2. 将Fe-SA@NC对新的有机电合成反应进行探索。开发了一种环丙基酰胺的电氧化开环转化反应。不仅对于各类环丙基酰胺底物都能得到较好的结果，还能够进行部分化合物的流动电化学合成和克级转化，并且对具有复杂结构的药物分子也能表现出良好的耐受性。此外，通过对同一修饰电极不做额外处理下进行五次循环试验，目标产物的产率稳定，电极使用前后形态无明显变化，这些结果证实了改性电极的持久稳定性。
3. 本文结合一系列实验表征与理论计算结果证明，该催化剂可通过改善底物与负载在电极上的单原子催化剂之间的吸附-脱附过程加速多种自由基的生成，进而有效促进有机电化学合成。
在本课题中，作者首先通过ZIF的热分解合成了稳定在氮掺杂碳上的Fe单原子催化剂（Fe-SA@NC），通过高分辨电镜、球差电镜、同步辐射等多种表征表明了该催化剂中Fe原子的高度离散性质和微观配位结构，并将该催化剂负载在电极表面作为反应的阳极（图1-图2）。
图1. Fe-SA@NC修饰电极的制备
图2. Fe-SA@NC催化剂的表征
随后作者初步比较了现有的均相铁基催化剂的有机电化学氧化体系，尽管现有方案均能够顺利获得目标产物，但作者所用的Fe-SA@NC表现出了优异的催化活性和耐用性，实现了极高的转化数，转化数相较于此前发表的经典电催化策略提高了多个数量级，并高效地构建了各种C-C/C-X键（图3）。基于此，我们继续利用Fe-SA@NC对新的有机电合成反应进行探索。最终开发了一种环丙基酰胺的电氧化开环转化反应。在最优条件下，反应对于各类环丙基酰胺底物都能得到较好的结果，还能够进行部分化合物的流动电化学合成和克级转化，并且对具有复杂结构的药物分子也能表现出良好的耐受性（图4）。此外，通过对同一修饰电极不做额外处理下进行五次循环试验，目标产物的产率稳定，电极使用前后形态无明显变化，这些结果证实了改性电极的持久稳定性。
图3. Fe-SA@NC在有机电合成中的应用
图4. Fe-SA@NC催化下环丙基酰胺的底物拓展
通过对Fe-SA@NC与均相铁催化剂Cp2Fe的密度泛函理论（DFT）计算对比得出，Fe-N4催化剂在与底物之间的相互作用是一个明显的放热过程（图5a），并且明显优于均相Cp2Fe。为了证实Fe-SA@NC的作用机理，作者进行了原位同步辐射实验，发现在电化学条件下，通过Fe-SA@NC的价态变化，证实了铁是反应的活性位点。图5b显示了Fe-SA@NC的铁K边X射线吸收近边结构，表明Fe-SA@NC中的铁离子带有+2左右的正电荷。首先，在没有底物2a的情况下进行电解时，作者观察到铁K边X射线吸收的峰度增加，明显高于Fe-SA@NC的初始值，表明Fe的价态升高（对应于图5c中从Fe-SA@NC到Int-1的电氧化过程）；引入反应底物2a后，进一步观察到Fe的K边X射线吸收峰度减小，低于Int-1值，表明Fe的价态降低（对应于图5c中从Int-1到Int-2的转化过程）。这些实验结果与理论计算结果一致。
图5. a) Fe-SA@NC和Cp2Fe催化酰胺活化的DFT理论计算；b) Fe-SA@NC的原位同步辐射光谱实验；c) Fe-SA@NC的可能催化机理。
本文提出了一种铁基单原子电催化剂，以解决均相分子电催化剂的局限性。Fe-SA@NC表现出良好的催化性能，不仅能够取代均相铁基催化剂，以优异的效率实现了已报道的构建C-C和C-X键的间接氧化策略，而且有助于探索新的反应体系。广泛的表征、机理控制实验和DFT计算证实了Fe（II）和Fe（III）之间的循环转化在催化反应中的关键作用。这些结果不仅证明了单原子催化剂在有机电合成阳极的间接氧化中的新用途，而且补充了电极表面电子转移机制的详细过程。在有机电合成催化反应中使用单原子催化剂作为氧化还原介质，不仅为将单原子催化剂的高催化效率与有机电合成的可变反应性相结合提供了机会，而且为电合成中电极表面电子转移机制的研究提供了新的模型和思路。
Single-Atom Iron Catalyst as an Advanced Redox Mediator for Anodic Oxidation of Organic Electrosynthesis. Xin-Yu Wang, Yong-Zhou Pan, Jiarui Yang, Wen-Hao Li, Tao Gan, Ying-Ming Pan, Hai-Tao Tang, Dingsheng Wang. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202404295
李文豪，东北大学教授，2023年在清华大学化学系获博士学位。主要从事单原子、团簇、纳米催化剂的制备与应用研究。共发表SCI论文15篇，以第一作者在Nature，Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际顶级化学期刊发表论文11篇，合作论文4篇。总引用1500余次，H因子13，9篇文章入选Clarivate高引论文“Highly cited papers”，2篇论文入选Wiley “Top download article”，Synfact亮点报道4篇，Organic Chemistry Portal专题报道1次。参加专业内国内外高水平学术会议论坛7次，作报告2次，发表会议论文3篇，获报告奖1次。获国家授权发明专利1项。曾获王大中奖学金，清华大学启航金奖，清华大学优秀博士学位论文，清华大学优秀毕业生，研究生国家奖学金等奖项或荣誉。
唐海涛，博士/教授，1988年出生。本科毕业于中南大学，2017年博士毕业于厦门大学后就职于广西师范大学化学与药学学院/省部共建药用资源化学与药物分子工程国家重点实验室。获自治区首批八桂青年拔尖人才、第十七届广西青年科技奖、广西杰出青年科学基金等奖励及基金资助。独立工作以来，其主要从事绿色有机合成化学的研究，发展了系列新型异相催化体系，实现了若干复杂有机反应的选择性合成。近5年，其以通讯作者或共一作者身份在Nature, Chem, Angew. Chem. Int. Ed.等国内外学术刊物上发表SCI论文50余篇。
王定胜，清华大学教授。2004年毕业于中国科技大学化学物理系获学士学位，2009年在清华大学化学系获博士学位。主要从事金属纳米催化方向的研究工作，目前已在Nature, Nature Nanotech., Nature Chem., Nature Catal., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc.等国际顶级期刊上发表多篇高水平论文。2012年获全国优秀博士论文，2013年获国家优秀青年基金资助，2018年青年人才拔尖计划，2023年获国家杰出青年基金等。
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