第一作者和單位：Peng Gao, 復旦大學
通訊作者和單位：梁觀峰，陳芬兒，復旦大學
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https://www.nature.com/articles/s41467-021-25061-0
關鍵詞： 氫甲?；磻?，單原子催化劑，芳基乙烯，區(qū)域選擇性，芳基丙醛烯烴氫甲?；铣扇┦悄壳皯米顬閺V泛的均相催化反應，其年生產規(guī)?？蛇_1200萬噸。烯烴氫甲?；走x催化劑是基于雙亞磷酸酯配體或者水溶性膦配體TPPTS的Rh基絡合物催化劑。有機膦配體是控制催化劑選擇性的關鍵。目前此類反應主要用于低碳烯烴，且產物為遵循反馬氏加成機理的線性氫甲?；a物直鏈醛。同時該反應的馬氏加成產物支鏈醛在藥物合成中作為重要的中間體有著更為廣泛的應用。例如芳基乙烯選擇性氫甲酰化產物2-芳基丙醛是合成布洛芬等非甾體抗炎藥的關鍵中間體。2016年大連化物所喬波濤研究員與張濤院士首次報道了單原子Rh催化劑在苯乙烯氫甲?；磻械膽茫@得了與經典均相Rh催化劑相當的反應活性。其中正構醛與異構醛的比例為1：1。在后續(xù)的研究中設計了新型的Rh1/CeO2單原子催化劑，通過與水汽變換反應耦合可將正異比提高至3：1（如Figure 1所示）。由此可知，精準合成特定結構的單原子催化劑，控制其在氫甲?；磻械膮^(qū)域選擇性是該研究中的關鍵科學問題。近日，復旦大學化學與材料學院梁觀峰副研究員和陳芬兒院士利用均多相融合的策略合成了一種P修飾的Rh單原子催化劑Rh1/PNP-ND，并將其應用于芳基乙烯氫甲酰化反應中，在溫和的反應條件下實現了高區(qū)域選擇性的制備異構醛-2-芳基丙醛，其選擇性高達94%，可與目前主流的均相Rh基絡合物催化劑相媲美。該催化劑還顯示出了良好的底物普適性和循環(huán)穩(wěn)定性，利用該催化劑成功實現了兩種藥物分子布洛芬和芬地林的高效合成，拓展了單原子催化劑在有機合成，特別是藥物分子合成的應用。首先作者選取了可分散性納米金剛石作為載體，利用納米金剛石表面豐富的羧基官能團固載含氮的雙膦配體，合成了表面P修飾的碳載體材料，為下一步Rh的高分散錨定提供了大量的位點。結合31P固體核磁表征結果可知在錨定Rh原子之后P的化學位移向低場區(qū)遷移，證實了Rh單原子通過Rh-P鍵錨定在納米金剛石上，且電子從P轉移到Rh上。同時利用球差校正透射電鏡也直觀的驗證了單原子Rh在納米金剛石載體上的高分散性，其形貌如Figure 2所示。X射線吸收精細結構（XAFS）譜結果顯示Rh1/PNP-ND催化劑上沒有出現Rh-Rh鍵，也很好的驗證了Rh原子的單分散性，擬合結果表明Rh原子與P的配位數為1.6，與C/O的配位數為4.0。合成的Rh1/PNP-ND對苯乙烯及其它芳基乙烯氫甲?；磻憩F出優(yōu)異的區(qū)域選擇性和底物普適性，優(yōu)勢產物為異構醛2-芳基丙醛，選擇性>90%。最后，該催化劑成功實現了兩種藥物分子布洛芬和芬地林的高效合成，驗證了單原子催化劑在復雜有機反應中應用的可行性 (見Figure 4)。Figure 1 The established Rh SACs (a and b) and the present Rh1/PNP-ND catalyst (c) for regioselective hydroformylation of vinyl arylenes.
Figure. 2 Structure and Morphology characterization of Rh1/PNP-ND. a TEM image. b HAADF-STEM image. c-f AC-HAADF-STEM images.Figure 3 The Rh XAS data of Rh1/PNP-ND and standard Rh materials. a The normalized XANES spectra at the Rh K-edge of the Rh1/PNP-ND, [Rh(COD)Cl]2, Rh2O3, and Rh foil. b The Fourier transform of k2-weighted EXAFS spectra at the K-edge of the Rh1/PNP-ND, [Rh(COD)Cl]2, Rh2O3, and Rh foil. c The experimental Rh EXAFS spectra (black line) and the fitting curve of Rh1/PNP-ND (red line).Figure 4 The synthetic routes for Ibuprofen and Fendiline via Rh1/PNP-ND catalyzed hydorformylation.Figure 5 Free energy profiles of the branched, and linear reaction pathways for styrene hydroformylation單原子催化劑為在真實反應體系下研究構效關系提供了一個絕佳的機遇和理想的模型，相比于氣固相反應，在氣固液三相且多分子參與的反應體系中如何研究構效關系則顯得更為復雜。由此可知，合成結構均一、具有等同化學環(huán)境的金屬單原子模型催化劑變得尤為關鍵。在本研究中我們通過借鑒均相催化中配體合成的經驗，利用精準合成的手段在納米金剛石表面建立類均相的錨定位點，為單原子Rh提供了相同的局域化學微環(huán)境，同時利用P-Rh配位鍵實現了對單原子Rh電荷密度的調控，實現了Rh單原子的精準均一制備，這是后續(xù)研究構效關系的基礎。在CO-DRIFTs中探針分子CO在Rh單原子上形成了雙羰基Rh(CO)2Lx化合物，這是Rh單原子一個非常明顯的特點。我們進一步發(fā)現Rh單原子所處的化學環(huán)境不同，兩個CO分子吸附的夾角(2ɑ)是不同的，例如在Rh1/ZnO上2ɑ=94°, 而在Rh1/PNP-ND上2ɑ增大到了104°，接近了CO在一些五配位的Rh雙羰基絡合物上的夾角（三角雙錐構型，2ɑ=120°）。在氫甲?；磻刑囟ńY構的Rh單原子催化劑表現出了特定的異構醛區(qū)域選擇性，為了探明這一原因，我們進一步結合理論計算進行了探討，發(fā)現在苯乙烯氫甲酰化反應中，Rh上氫物種的轉移是反應的決速步，也是決定區(qū)域選擇性的關鍵，如Figure 5中所示，生成支鏈醛的過渡態(tài)TS 2-4活化能較低，在動力學上是有利的。此外支鏈醛的中間體4的Gibbs自由能遠低于直鏈醛的中間體3，說明了該過程在熱力學上也是有利的。梁觀峰，男，復旦大學化學系青年副研究員。主要研究方向為：氫甲?；磻捌湓谒幬锖铣芍械膽?、新型單原子催化劑的制備及其構效關系研究。2014年于中科院長春應化所獲得博士學位，導師為趙鳳玉研究員。2014-2018年分別于中科院大連化物所張濤院士團隊和法國國家科學研究中心固體表面與催化研究所Andrei Khodakov組從事博士后研究工作。2018年進入復旦大學化學系，擔任青年副研究員。主持國家自然科學基金青年項目1項，省部級基金2項。以第一/通訊作者在Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Green Chem., J. Catal., ACS Catal.等國際知名期刊發(fā)表論文十余篇。擔任Green Synthesis & Catalysis青年編委。
陳芬兒，中國工程院院士，復旦大學教授、博士生導師。1985年先后在華西醫(yī)科大學藥學院和四川大學化學學院獲藥物化學碩士學位和有機化學博士學位。1995、1996年先后在美國 Washington University 和英國King's College London作訪問學者。兼任上海市藥學會藥物化學專委會主任委員，Green Synthesis &Catalysis, Pharmaceutical Fronts 主編，Chinese Chemical Letters, 《中國藥學（英文版》，《中國藥物化學雜志》副主編。以第一完成人獲國家發(fā)明二等獎1項、國家科技進步二等獎1項，省部級科技進步獎一等獎3項、中國專利金獎1項。在Chem Rev, Angew Chem Int Ed，Nature Commun.，ACS Sustain. Chem. Eng，Med Res Rev, J Med Chem, Acta Pharm Sin B, ACS Infect Dis, Curr Opin Pharmacol, Adv Syn Catal, Org Lett,J Org Chem, Eur J Med Chem等期刊發(fā)表學術論文300余篇，已申請中國、美國、歐盟等發(fā)明專利200余項，授權中外專利101件，主參編學術著作8部。獲得何梁何利科學與技術進步獎，全國優(yōu)秀科技工作者、上海市十大科技精英、全國化工先進工作者等多項獎勵與榮譽。
