第一作者：张奇，彭觅，高子睿，郭文迪
通讯作者：曹勇 教授，马丁 教授，李振华 教授，周武 教授
通讯单位：复旦大学，北京大学，中国科学院大学
论文DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.2c12586
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全文速览
本工作通过构筑一类包含氮配位单原子钴/吡啶氮（Co-N4/Py-N）双活性位点的全无机仿生系统，实现了对氧化酶类反应机制的有效模拟。基于此机制，我们发展了一类全新的硅烷需氧脱氢偶联反应并对其反应机理进行了全面分析。该工作为构建新型的多相氧化酶模拟物、深入理解氧化酶基本性质以及发展生物启发的非天然催化反应提供了新的范例和途径。
马丁
北京大学教授
2019年“科学探索奖”化学新材料领域获奖人
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背景介绍
利用O2作为清洁、绿色的氧化剂实现温和条件下的选择氧化反应是有机合成领域近年来关注的热点之一。由于基态氧分子的三线态电子结构，难以直接与单线态有机底物反应，因此必须发展相应的能够活化O2的催化氧化体系。自然界中广泛存在一类氧化酶（如黄素酶），通过氧化还原中心和碱中心的协同作用，经质子耦合氢化物转移（PCHT）途径，能够有效的将氧气活化与底物还原过程相结合，进而实现高选择性的氧化反应（图1）。然而，由于天然酶分离纯化困难、价格昂贵且对反应条件敏感，实际使用受到了较大限制。相比之下，更优的策略是发展基于酶催化机制的仿生催化剂或催化体系，并利用其实现高效和高选择性的氧化反应。在此方面，以有机金属化合物为代表的有机仿生催化体系得到了广泛研究，而利用无机材料实现复杂的仿生催化反应特别是生物启发的非天然催化反应却鲜有报道。
图1. 基于PCHT途径的酶催化需氧氧化（左）以及利用此策略实现的硅烷需氧氧化（右）。
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研究亮点
本文基于氧化酶的结构特征和作用机制，构建了一种包含氮配位单原子钴/吡啶氮（Co-N4/Py-N）双活性位点的全无机仿生系统，其中氮配位单原子钴位点用于模拟酶中的氧化还原位点，吡啶氮位点则用于模拟酶中的碱性位点。利用此系统首次实现了硅烷的需氧氧化偶联反应，整个催化体系表现出优越的活性、稳定性及可拓展性，同时结合多种表征手段及DFT计算对反应机理进行了深入的考察和研究，明确了双活性位点在反应循环中的重要性。
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图文解析
想要实现对氧化酶的模拟，需要在材料中同时构建氧化还原活性中心和碱中心。金属酞菁作为一类广泛研究的仿生催化剂，在很多氧化反应中都表现出良好的活性，是作为氧化还原活性中心的良好选择，而氮掺杂碳材料中则含有丰富的含氮基团，可以方便的作为碱中心。作者首先基于酞菁钴和ZIF-8衍生的多孔碳设计了三种具有不同特点的模型催化剂CoPc/PC、CoPc/NPC和Co-N4/NPC并尝试将其应用于二甲基苯基硅烷氧化合成二甲基苯基硅醇的反应中（图2）。结果表明只有当氧化还原活性中心（CoPc）和碱中心（掺杂氮原子）同时存在时，该反应才能够顺利进行，而合适的单原子钴配位结构以及钴中心和掺杂氮原子的协同效应则显著影响催化剂的整体活性。
图2. 基于模型催化剂的硅烷氧化反应。
在此基础上，作者进一步利用Co/Zn双金属ZIF在不同温度下热解制备了一系列包含不同Co、N物种的Co/N共掺杂多孔碳材料，希望能够借此明确反应中各活性位点的作用。结合球差校正 HADDF-STEM、 原子分辨 EELS 和 XAFS 等表征分析，证明了Co-N4@NPC催化剂中的单原子钴位点为Co-N4的配位结构（图3）。而通过将催化活性与不同催化剂中的氮物种含量进行关联，证明了吡啶氮（Py-N）含量与催化活性具有正相关性（图4B）。更进一步，作者通过KSCN和H3PO4分别选择性中毒了催化剂中的Co-N4位点和吡啶氮位点，均观察到了催化剂活性的下降（图4C），由此明确了反应实际为双活性位参与。基于以上认识，作者通过二次吸附掺杂的方法在Co-N4@NPC催化剂中引入了更多的Co-N4位点来增加材料中Co-N4/Py-N活性位点对的密度。由此得到的Co-N4@NPC-re显示出更高的催化活性，在二甲基苯基硅烷到二甲基苯基硅醇的转化中，Co-N4@NPC-re的TOF值高达595 h-1且能够实现>99%的选择性。此反应体系能够实现 4.3 mol/L 高浓度底物的半连续合成，且适用于流动反应体系，在连续流动合成中催化剂可稳定运行 300 h，总催化转化数（TON值）超过130000，展现出良好的稳定性和应用潜力。
图3. Co-N4@NPC-900催化剂的催化活性和相关结构表征。
图4. Co-N4@NPC催化剂反应活性位点的确认。（A）Co-N4@NPC系列催化剂的XPS表征； (B) 催化剂活性与氮物种含量间的构效关系；（C）KSCN和H3PO4中毒实验。
为了进一步明确反应机理，作者对不同气氛下Co-N4@NPC的催化活性进行了考察，发现反应活性随氧气压力提升而显著增加。进一步结合同位素标记原位红外以及氧气间隔注入实验确认了O2作为除硅烷和水以外的另一反应物参与反应，而对于氧气还原中间产物的检测则表明反应过程中O2被还原生成H2O2。在此基础上，结合自由基捕获实验以及手性硅烷转化实验，确认反应以SN2反应机理进行。进一步的DFT理论计算表明，反应过程中Si-H键的断裂通过线性协调的SN2机理完成，含羟基的底物（如H2O）亲核进攻Si-H键，异裂形成的氢负离子则在Co中心的作用下从Si原子离去并使Co中心被还原。被还原的Co中心进一步经氧气氧化而再生完成反应循环。催化剂中的吡啶氮位点则作为碱中心参与反应中的质子循环（图5）。机理研究表明Co-N4@NPC催化的硅烷到硅醇的转化属于典型的基于PCHT途径的氧化酶型氧化反应。值得注意的是，此反应机理与之前文献中广泛报道的硅烷直接水解脱氢偶联机理以及以H2O2或O2为氧化剂的O原子转移机理有着明显的区别，显示出该反应体系的独特性。
图5. Co-N4@NPC催化的硅烷需氧氧化反应机理研究。
最后，作者对该反应体系的底物适用范围进行了研究（图6）。该体系对多种还原性官能团均具有优良的耐受性，能够实现一系列芳香族与脂肪族的取代硅烷底物的高效选择氧化，同时也能够应用于具有生物活性的复杂硅醇分子的合成。此外，还可拓展至硅烷与其他含羟基的亲核试剂（如硼酸类化合物、醇类、酚类等）的需氧氧化偶联反应中，实现硅硼醚、硅醚的合成。
图6 Co-N4@NPC催化剂的底物普适性研究。
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总结与展望
本文通过构建Co-N4/Py-N双活性位点实现了对于氧化酶型催化反应的有效模拟。得益于此独特的活性位点对结构，该催化体系在硅烷到硅醇的转化过程中表现出优越的活性和稳定性，且可以方便的扩展到其他的氧化酶型氧化反应中。考虑到氧化还原中心和碱中心来源的广泛性，此工作也为发展新型多相仿生催化剂建立了一个良好的平台。此外，与以往大多数只针对金属活性中心的单原子催化剂研究不同，本文还揭示了此类材料中其他掺杂原子也具有参与反应循环的可能性，对深入理解金属-氮-碳（M-N-C）材料的性质也具有重要的意义。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12586